层状磁性半导体CrSBr，实现对量子凝聚态发光的磁调控

量子技术被视作未来的核心技术。但该领域的研究不仅需要深厚的科学专业知识，有时还要求高度专用的实验室条件。玻色-爱因斯坦凝聚体就是一个典型例子：凝聚体内的原子同步运动，让量子力学效应不再只体现在单个原子层面，还能在宏观尺度被观测到。人类最早观测到玻色-爱因斯坦凝聚体，是在接近绝对零度的超冷原子气体中。实现该状态所需的冷却技术难度高、成本昂贵，只能在专业实验室开展。

降低冷却要求的量子凝聚体

如今，量子研究越来越聚焦于固体材料中的玻色-爱因斯坦凝聚体，这类凝聚体在中等温度条件下也可以存在。研究中一般会使用半导体中的电子-空穴对，也就是激子；研究人员可以利用激光脉冲选择性生成激子。

不过可以这么理解，激子本身运动迟缓，无法实现同步运动。因此，激子会与光学谐振腔的光场耦合，以此降低自身有效质量，形成一种兼具物质与光特性的混合态——激子极化激元。它兼具两者优势：既可以用激光脉冲调控，又因为质量更轻，更容易进入集体量子力学状态。

激子极化激元凝聚体是一种可发光的宏观量子态，所需外部冷却大幅减少，部分场景甚至无需外部冷却。因此这类凝聚体被视为量子通信、量子光学与量子计算未来应用极具潜力的平台。但一个核心难题是调控凝聚体的特性，进而控制它发出的光。如今，这一难题已经被攻克。

层状半导体实现磁调控

一支国际研究团队现已证实，可以依靠材料的磁特性对激子极化激元凝聚体实施调控。团队没有使用传统半导体材料，而是采用一种新型层状磁性半导体：硫溴化铬（CrSBr）。

该研究团队由雷根斯堡大学Rupert Huber教授、Fabian Mooshammer博士、Jan Wilhelm博士，慕尼黑工业大学Florian Dirnberger博士，以及布拉格化工大学Zdeněk Sofer教授牵头。这项研究成果发表于《Nature Materials》期刊。

CrSBr腔线中的激子极化激元

这种晶体由大量原子级薄层堆叠而成，相邻层之间的磁取向交替变化。这类磁性来源于电子自旋，也就是电子本身固有的一种量子力学角动量。自旋自带磁偶极矩，可以想象成一枚微小的指南针，其指向代表磁化方向。

在CrSBr晶体中，每一个原子层内的这些 “小指南针” 取向一致，但相邻层之间的指向相反。对这种独特磁序进行调控，为选择性修改激子极化激元凝聚体的特性开辟了新途径。

有序光信号证实凝聚现象

但研究人员首先需要证明，在被测结构中确实形成了激子极化激元凝聚。为此，他们使用超短激光脉冲在CrSBr结构中激发激子极化激元。随着这类粒子密度逐步升高，粒子间距不断缩小，最终会和周边粒子同步振荡。

“一旦达到凝聚阈值，发射光的强度会突然提升百倍以上。同时光波变得有序，可以说彼此同步振荡。这种相干性就是凝聚现象的有力证据。” 第一作者Heng Zhang博士解释道。

打破磁阱

接下来关键一步是验证：能否利用外磁场对凝聚体做选择性调控。实验结果十分显著：随着外加磁场增强，凝聚体发光的能量发生偏移，这源于CrSBr独特的磁序。在初始状态下，晶体相邻层的电子自旋反向排列。

这相当于为激子构建了一层磁阱，将激子束缚在所属的原子层内。外磁场可以让自旋朝向同一方向，从而打破磁阱。由此，激子极化激元的能量等特性就能被选择性调节。

该依托材料磁序的全新调控机制效率很高，共同第一作者Christian Weidgans介绍：“以往的手段常依靠施加电压等方式；而在CrSBr材料中，仅用中等强度磁场，就能实现最高达十倍的发光能量偏移。借助这种方式，可以直接通过材料磁性来控制量子态。”

微波与光信号耦合的前景

该研究成果搭建起扩展量子态与材料磁序之间全新的交互界面。共同第一作者Niloufar Nilforoushan博士表示：“未来，该平台可直接将凝聚体发射的光与磁态耦合，在极短时间尺度内完成操控。”

在这一方向上，微波辐射可以用来选择性改变材料磁序。这不仅有望将该平台集成到磁存储器件中，还可以高效实现微波向光信号的转换。磁控激子极化激元凝聚，在量子光学与自旋电子学交叉领域开辟了全新方向，为未来量子技术奠定基础。