激光在二维半导体中触发磁性

科学家使用光子来控制被困在二维半导体中的电荷的“基态”特性

研究人员发现，激光形式的光可以在正常的非磁性材料中触发某种形式的磁性。该实验由华盛顿大学和香港大学的科学家领导，于 4 月 20 日发表在《自然》杂志上。

据共同资深作者、华盛顿大学物理系和该系波音特聘教授徐晓东说，通过在这种细节和精度水平上控制和对齐电子自旋，该平台可以在量子模拟领域得到应用。材料科学与工程专业。

“在这个系统中，我们基本上可以使用光子来控制被困在半导体材料中的电荷的‘基态’特性——例如磁性，”Xu 说，他也是华盛顿大学清洁能源研究所和分子研究所的研究员。工程与科学研究所。 “这是为量子计算和其他应用开发某些类型的量子比特或‘量子比特’的必要控制水平。”

徐的研究团队带头进行了实验，他与共同资深作者、香港大学物理学教授王耀领导了这项研究，他的团队致力于研究支持结果的理论。参与这项研究的其他威斯康星大学教职员工是威斯康星大学物理学和材料科学与工程教授（同时在太平洋西北国家实验室担任联合任命）的共同作者 Di Xiao 和威斯康星大学化学教授兼主任 Daniel Gamelin分子工程材料中心。

该团队使用了二维化合物半导体 WSe2 和 WS2 的超薄薄片。研究人员将这两张纸叠起来形成了“莫尔超晶格”，这是一种由重复单元组成的堆叠结构。

像这样的堆叠薄片是量子物理学和材料研究的强大平台，因为超晶格结构可以将激子保持在适当的位置。激子是成对的“受激”电子及其相关的正电荷，科学家可以测量它们在不同超晶格配置中的性质和行为如何变化。

研究人员正在研究材料内的激子特性时，他们惊奇地发现光触发了正常非磁性材料内的关键磁性。激光提供的光子在激光束路径内“激发”了激子，这些激子在其他电子之间引发了一种长程相关性，它们的自旋都指向同一方向。

“就好像超晶格内的激子开始与空间分离的电子‘对话’，”徐说。 “然后，通过激子，电子建立了交换相互作用，形成了所谓的具有对齐自旋的‘有序状态’。”

研究人员在超晶格中目睹的自旋排列是铁磁性的特征，铁磁性是铁等材料固有的磁性形式。它通常不存在于 WSe2 和 WS2 中。徐说，莫尔超晶格中的每个重复单元本质上就像一个量子点来“捕获”电子自旋。可以相互“交谈”的被困电子自旋被认为是一种量子比特的基础，量子计算机的基本单元可以利用量子力学的独特特性进行计算。

在 2021 年 11 月 25 日发表在《科学》杂志上的另一篇论文中，Xu 和他的合作者在由超薄 CrI3 片形成的莫尔超晶格中发现了新的磁性，与 WSe2 和 WS2 不同，CrI3 具有固有的磁性，即使是单个原子片。堆叠的 CrI3 层形成交替的磁畴：一个是铁磁性的——自旋都在相同的方向上排列——另一个是“反铁磁性的”，其中自旋在超晶格的相邻层之间指向相反的方向，并且基本上“相互抵消， ”据徐说。这一发现还阐明了材料结构与其磁性之间的关系，这可能会推动计算、数据存储和其他领域的未来发展。

“它向你展示了隐藏在二维量子材料形成的莫尔超晶格中的磁性‘惊喜’，”徐说。 “除非你仔细观察，否则你永远无法确定你会找到什么。”

上图显示了光致铁磁性。以黄色显示的激光激发激子 - 电子（蓝色）及其相关正电荷的束缚对，也称为空穴（红色）。这种活动在莫尔超晶格内的其他空穴之间引起长程交换相互作用，使它们的自旋方向相同。

材料类型极为繁杂，总体上的分类方法主要有下面七种。

一、按材料结晶状态分类

单晶质材料：有一个比较完全的晶粒构成的材料，如单晶纤维、单晶硅等多晶质材料：由许多晶粒组成的材料，其性能与晶体大小和晶界的性质有 密切的关系。非晶态材料：由原子或分子排列远程无序的固体材料，如玻璃、高分子材料等。准晶态材料：不符合晶体的对称条件，但呈一定的周期性有序排列的类似于晶态的固体。

二、按材料尺寸分类零维材料：即粒子大小1-100nm的超微粒。

一维材料：光导纤维、碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维等。其晶须强度和刚度最高。二维材料：金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜。

三维材料：块状材料。三、按化学组成分类 金属材料：

黑色金属及其合金

有色金属及其合金

非晶、微晶金属材料

低维金属材料

特种功能金属材料无机非金属材料：

玻璃与非晶无机非金属材料

低维无机非金属材料

人工晶体材料

无机陶瓷材料

特种功能无机非金属材料高分子材料：

塑料、橡胶和纤维

功能高分子材料

高性能高分子材料

高分子液晶材料复合材料：

金属基金复合材料

无机非金属基复合材料（如陶瓷基）

聚合物基复合材料（如树脂基）

其它复合材料（如碳-碳专用材料）四、按材料功能用途分类按功能分类，也就是按产品的使用性能及用途分类。可将材料分为结构材料及功能材料两大类。结构材料：具有较好的力学性能(比如强度、韧性及高温性能等等)、可用作结构件的材料， 它主要利用的是材料或制品机械结构的强度性能。例如，利用材料机械结构刚度与强度的建筑材料及工程材料，如水泥制品、建筑陶瓷、建筑玻璃、石棉水泥制品、石膏板、玻纤/环氧树脂、碳/酚醛树脂、精细陶瓷结构材料、云母陶瓷、云母塑料等。功能材料：具有特殊的电、磁、热、光等物理性能或化学性能的材料则可以统称为功能材料，它利用的是材料机械结构力学功能以外的所有其它功能的材料。例如利用材料的电、光、磁、热、摩擦、表面化学效应、胶体性能、填充密封性能等等。无论是结构材料，还是功能材料，其细分内容均十分繁杂，几乎可包含各个方面的用途。严格地说，结构材料也是一类功能材料，是属于力学功能型的一个大类。五、按物理性质分类导电材料

半导体材料

绝缘材料

磁性材料

透光材料

高强度材料

高温材料

超硬材料

等等六、按物理效应分类压电材料

热电材料

铁电材料

非线性光学材料

磁光材料

光电材料

电光材料

声光材料

激光材料

记忆材料

等等七、按材料应用领域分类结构材料

电子材料

电工材料

光学材料

感光材料

信息材料

能源材料

宇航材料

生物材料

环境材料

耐蚀材料

耐酸材料

研磨材料

耐火材料

建筑材料

包装材料

等等上述未包含液体类材料。在实际应用中，为研究和应用的方便，上面各类材料又往往被人们分成更细更多的类型或品种。

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