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二维磁性半导体中激子与杂化磁子的耦合调控

磁子作为自旋波输运的载体，是混合量子器件的重要组成部分，使得自旋器件可以在不产生焦耳热的情况下传输信号，另外由于没有电接触，还可以实现更简单的器件结构。为了将磁子引入混合系统，需要就将磁子与其他载流子通过相互作用进行有效耦合，例如激子(库仑束缚电子空穴对)和磁子(集体自旋激发)之间的耦合，通过调控载流子之间的交互作用，实现对信号的有效编写与处理。有研究工作表明，可以通过磁性材料磁致伸缩效应产生和调控磁子行为，这种利用外磁场的调控手段为磁子的原位调控提供了便利，非常适合混合量子系统中的可编程交互作用。某些磁性范德华材料具备室温下的稳定自旋组态，并具备丰富的调控手段，因此二维磁性半导体的出现为探索这些激子-磁子相互作用以及光自旋电子和量子输运应用提供了平台。

近日，美国华盛顿大学Xiaodong Xu等人证实了层状磁性半导体CrSBr中相干激子-磁子相互作用，并对其耦合作用实现精确控制。通过调节外磁场的方向改变了系统旋转对称性，不仅可以调控激子与亮磁子之间的直接耦合，而且还可以通过磁子杂交将激子耦合到光学暗模式。另外，研究还发现通过施加单轴应变可以进一步调控激子-磁子耦合行为，从磁子色散曲线中可以看出，在临界应变下出现了无色散的光学暗磁子带。该工作证明了二维磁性半导体CrSBr中电子、自旋和晶格自由度之间高度可调的相互作用，为基于二维磁性材料的混合量子系统的研究奠定了基础。相关工作发表在《Nature Nanotechnology》上。

文章链接：

G. M. Diederich, J. Cenker, Y. F. Ren, et al. Tunable interaction between excitons and hybridized magnons in a layered semiconductor. Nat. Nanotechnol. (2022).

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