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。

多数载流子和少数载流子决定了半导体材料的导电性质和电学特性。

半导体材料中的载流子可以分为两种类型：多数载流子和少数载流子。多数载流子是指在半导体中数目占绝大多数的载流子，例如在N型半导体中为自由电子，在P型半导体中为空穴。而少数载流子则是指占少数的载流子，在N型半导体中为空穴，在P型半导体中为自由电子。

由于多数载流子在半导体中数目占绝大多数，因此其运动对半导体材料的导电性质和电学特性起主导作用。例如，在N型半导体中，自由电子的数量远大于空穴的数量，因此它具有良好的电导性质，且易于被掺杂成P型半导体。而在P型半导体中，空穴的数量远大于自由电子的数量，因此它具有良好的电导性质，且易于被掺杂成N型半导体。

少数载流子虽然数目较少，但在半导体器件的工作中也起着重要作用，例如在PN结中的空间电荷区域，少数载流子的扩散和漂移会导致PN结的电特性发生变化，影响整个器件的性能。因此，对于半导体器件的设计和优化，需要充分考虑多数载流子和少数载流子的作用和影响。

另外，多数载流子和少数载流子也影响着半导体材料的光学特性。在光电器件中，例如光电二极管和太阳能电池，光子在半导体中的能量可以被吸收并激发出少数载流子，这些少数载流子的移动和扩散可以产生电流或电压信号。因此，在光电器件的设计中，需要选择适合的半导体材料，以保证光子的能量可以被有效地吸收并产生足够的载流子。

此外，半导体材料中的多数载流子和少数载流子也对热学特性和机械特性等方面产生影响。因此，在半导体材料的研究和应用中，需要综合考虑多种载流子的作用和相互影响。

半导体材料的多数载流子和少数载流子还对半导体器件的速度、功耗、噪声、稳定性等性能参数产生影响。例如，在晶体管等高频器件中，多数载流子的迁移速度和响应速度对器件的工作速度和频率响应有重要影响。少数载流子的影响则主要体现在器件的噪声和稳定性方面，因为少数载流子的扩散和漂移可以引起器件的随机噪声，并对器件的工作温度和环境变化等因素产生敏感性。

在半导体器件的设计和优化中，需要通过控制多数载流子和少数载流子的浓度、迁移率和寿命等参数，以实现所需的电学、光学、热学和机械性能。例如，通过掺杂控制和结构设计，可以改变半导体材料中多数载流子和少数载流子的分布和性质，从而实现对半导体器件的性能调节和优化。此外，还可以利用半导体材料的表面和界面特性，通过修饰和功能化等方法，改变多数载流子和少数载流子的表面浓度和分布，实现对器件性能的调控和优化。

总之，多数载流子和少数载流子是半导体材料的重要组成部分，它们决定了半导体材料的电学、光学、热学和机械性能，对半导体器件的设计、制造和应用产生了深刻的影响。

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