半導(dǎo)體所磁性半導(dǎo)體自旋光子學(xué)研究取得新進(jìn)展
電子自旋可攜帶非易失的量子信息，是量子信息處理與存儲的重要自由度。將自旋態(tài)與光子相連接，可實(shí)現(xiàn)自旋量子信息的遠(yuǎn)距離傳輸與探測，自旋-光子界面因此成為構(gòu)建可擴(kuò)展量子網(wǎng)絡(luò)和連接分離量子節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。傳統(tǒng)自旋-光子界面的研究主要集中在非磁性半導(dǎo)體量子點(diǎn)、二維過渡金屬硫族化合物以及缺陷自旋體系中。盡管磁性材料是當(dāng)代自旋電子研究和存儲行業(yè)的支柱，但受限于光學(xué)不活躍的帶邊躍遷、光學(xué)性能下降以及有限的自旋弛豫和相干時間，其自旋-光子界面研究相對不足。新近發(fā)現(xiàn)的二維磁性半導(dǎo)體（如CrSBr）兼具強(qiáng)光-物質(zhì)相互作用與磁-電子耦合效應(yīng)，為這一領(lǐng)域帶來了新機(jī)遇。此外，磁振子作為磁性材料中獨(dú)特的集體自旋激發(fā)，在CrSBr中已被證明能夠與激子態(tài)強(qiáng)耦合并在超快時間尺度上調(diào)制光學(xué)響應(yīng)。然而，現(xiàn)有研究主要集中在無結(jié)構(gòu)樣品和動量積分測量中，磁振子-光子耦合在光子結(jié)構(gòu)中的增強(qiáng)機(jī)制及其動量相關(guān)物理機(jī)制仍有待深入探索。
近期，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體芯片物理與技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王開友研究員、黃雨青研究員及其合作者報道了基于二維磁性半導(dǎo)體CrSBr一維超表面的磁振子-光子界面（圖1a），該CrSBr超表面中承載的連續(xù)體內(nèi)的束縛態(tài)（BICs）與激子發(fā)生強(qiáng)耦合，形成激子極化激元（EP），其能量和輻射特性都可以通過外部磁場進(jìn)行調(diào)控（圖2）。進(jìn)一步通過瞬態(tài)角分辨反射光譜測量，研究發(fā)現(xiàn)相干光學(xué)磁振子能夠?qū)ぷ訕O化激元的能量進(jìn)行超快調(diào)控，且引入了非平凡的動量依賴性，反映了自旋、磁振子與光子之間的協(xié)同耦合行為。相比之下，聲學(xué)磁振子僅表現(xiàn)為局域化調(diào)制信號，未體現(xiàn)出動量相關(guān)的相干耦合特征（圖3）。理論分析表明，這種磁振子模式選擇性來源于CrSBr層間反鐵磁結(jié)構(gòu)中不同磁振子的對稱性差異。
該研究在二維磁性半導(dǎo)體超表面中構(gòu)建了一種磁振子-光子界面，通過利用二維磁性半導(dǎo)體中強(qiáng)光-物質(zhì)相互作用與磁電效應(yīng)之間的協(xié)同效應(yīng)，在CrSBr磁性光子結(jié)構(gòu)中展示了利用外磁場或相干磁振子對激子極化激元進(jìn)行靜態(tài)和超快調(diào)控的能力。更重要的是，該研究觀測到了依賴于磁振子模式和動量的磁振子-激子極化激元相互作用，為泵浦光子到光學(xué)磁振子的直接動量轉(zhuǎn)移提供了有力證據(jù)，表明強(qiáng)耦合磁振子-激子極化激元雜化態(tài)已形成，揭示了磁性體系中自旋、磁振子與光子之間的相互作用特性。該研究結(jié)果為理解二維極限中的自旋、磁振子和光子相互作用提供了清晰的物理圖像，并為進(jìn)一步探索基于二維磁性半導(dǎo)體的自旋功能光子和量子器件提供了新的研究平臺。
該成果以“A Magnon-photon interface based on Van der Waals Magnetic semiconductor”為題，發(fā)表于《自然-通訊》（Nature Communications，https://doi.org/10.1038/s41467-026-68767-9）。半導(dǎo)體所王開友研究員、 黃雨青研究員和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)鳳建崗教授為通訊作者，半導(dǎo)體所胡倩博士為第一作者。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
