磁性半導體在三維材料中保留二維量子特性

美國賓夕法尼亞州立大學和哥倫比亞大學領導的國際團隊在新一期《自然·材料》雜誌上發表了一項重要研究成果，展示了磁性半導體在三維材料中保持特殊的二維量子特性。這一突破為現實世界中的光學系統和高級計算應用提供了新的可能性。

儘管二維材料如石墨烯展示了廣泛的功能，並具有革命性的潛力，但維持其在二維極限之外的優異性能仍然是一個巨大的挑戰。這類材料通常只有一個原子厚的晶體層，可用於柔性電子、儲能和量子技術等多個領域。因此，實現、理解和控制納米級限制，對於量子物理的研究和未來量子技術的發展至關重要。

團隊專注於研究半導體材料中的激子（一種攜帶能量而不帶電荷的準粒子）。然而，傳統塊體材料中的激子結合能較小，導致它們不夠穩定且難以觀察到。激子在二維單層中表現最為穩定並展現出優異性能。傳統的二維材料製備方法涉及手工剝離和堆疊每一層，不僅勞動強度大，而且效率低下。

為了克服這些挑戰，團隊轉向了另一種物理學現象——磁性。他們特別關注了一種稱為鉻硫化溴化物（CrSBr）的層狀磁性半導體。在室温下，CrSBr作為普通半導體工作。將其冷卻至約131.5開爾文時，CrSBr轉變為反鐵磁系統，其中各層以規則、重複的方式排列其磁矩（自旋），從而有效地抵消磁矩並使材料對外部磁場不敏感。

這種反鐵磁排序確保每一層交替其磁排列，使得激子傾向於停留在具有相同自旋方向的層中，而不是圍繞具有相反自旋的相鄰層。通過這種方式，團隊無需手動剝離即可創建單層原子材料，同時仍可保留清晰的界面。這意味着可以在塊體材料中實現與二維材料相同的受限激子行為。

團隊利用光譜技術、理論建模和計算確定，無論系統有多少層，這種磁約束都能牢固地將激子限制在其共享相同自旋方向的層中。這一發現得到了德國另一研究團隊的獨立驗證，兩個團隊使用不同晶體材料在各自實驗室中獲得了高度一致的結果。

通過這種方法，人們可以更高效地開發出具有卓越性能的新型材料，從而推動下一代高性能計算和光學設備的發展。