所有的磁体都含有被称为磁子的旋转类粒子。所有的磁铁都是如此,从挂在冰箱上的简单纪念品,到给你的电脑提供内存存储的光盘,再到研究实验室中使用的强大版本。一个磁子的旋转方向可以影响其相邻的磁子,而相邻的磁子又会影响其相邻的磁子的旋转,以此类推,就产生了所谓的自旋波。自旋波有可能比电更有效地传输信息,而且磁子可以作为“量子互连”,将量子比特“粘合”在一起,形成强大的计算机。
尽管磁子具有巨大的潜力,但如果没有庞大的实验室设备,它们往往很难被检测到。根据哥伦比亚大学研究员朱晓阳的说法,这样的设置对于进行实验是没有问题的,但对于开发设备,如磁子设备和所谓的自旋电子学,则不适用。然而,有了合适的材料,看到磁子可以变得简单得多:一种叫做溴化铬的磁性半导体,可以被剥离成原子般薄的二维层,由化学系教授Xavier Roy的实验室合成。
在9月7日发表在《自然》杂志上的一篇新文章中,朱晓阳和哥伦比亚大学、华盛顿大学、纽约大学和橡树岭国家实验室的合作者表明,溴化铬中的磁子可以与另一种叫做激子的准粒子配对,后者会发光,为研究人员提供了一种“看到”旋转的准粒子的机制。
当他们用光扰动磁子时,他们观察到激子在近红外范围内的振荡,这几乎是肉眼可见的。朱晓阳说:“我们第一次可以用一个简单的光学效应看到磁子。”
朱晓阳实验室的博士后、研究第一作者Youn Jun (Eunice) Bae说,这些结果可以被看作是量子转换,或者是一个 “量子”能量向另一个能量的转换。Bae解释说,激子的能量比磁子的能量大四个数量级;现在,由于它们配对得如此强烈,我们可以轻易地观察到磁子的微小变化。这种传导有朝一日可能使研究人员能够建立量子信息网络,从基于自旋的量子比特--它们通常需要位于彼此的几毫米范围内--获取信息,并将其转换为光,一种能够通过光纤将信息传输到数百英里以外的能量形式。
朱晓阳说,相干时间--即振荡可以持续的时间--也很了不起,比实验中的5纳秒极限持续得更久。这种现象可以超过7微米,甚至在溴化铬器件仅由两个原子薄层制成时也能持续存在,这提高了建造纳米级自旋电子器件的可能性。这些设备有朝一日可能成为当今电子产品的更有效替代品。与电流中的电子在行进中遇到阻力不同,自旋波中实际上没有粒子在运动。
从这里开始,科学家们计划探索溴化铬的量子信息潜力,以及其他候选材料。朱晓阳说:“在MRSEC和EFRC,我们正在探索几种二维材料的量子特性,你可以像纸一样堆叠起来,创造各种新的物理现象。”
例如,如果能在其他种类的磁性半导体中找到磁子-激子耦合,并具有与溴化铬稍有不同的性质,它们可能会以更广泛的颜色发射出光。朱晓阳说:“我们正在组装工具箱,以构建具有可定制特性的新设备。
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