物理学家发现，二维磁体中的电子激发可以通过自旋波（即材料磁结构中的波纹）进行相互作用。

这一突破使激子（电子-空穴对）能够像物体搅动水一样间接相互影响。这种相互作用在一种名为硫化铬溴（CrSBr）的磁性半导体中得到了证实，可以通过磁场将其打开和关闭，从而为光调制器、逻辑门以及未来量子计算机和通信系统的量子传感器等革命性技术打开了大门。

研究发现自旋波介导的相互作用

纽约市立大学的物理学家们在理解电子激发如何通过自旋波进行相互作用方面取得了重大突破。该发现由纳米与微光子学实验室（LaNMP）团队完成，物理学家维诺德·梅农是该团队的负责人。这一发现可能为包括光调制器、全光逻辑门和量子传感器在内的下一代技术铺平道路。相关研究成果近日发表于《自然·材料》上。

该团队证明，在原子级薄（2D）磁性材料中，激子（电子及其留下的“空穴”所组成的对）可以通过自旋波或磁振子间接相互影响。这些磁振子就像材料磁性结构中的涟漪，使激子能够在不直接接触的情况下发生相互作用。

马格农人：隐秘的连接者

梅农（Menon）说：“可以把磁振子想象成晶体内部原子磁体的微小翻转。一个激子会改变局部的磁性，而这种变化会影响附近另一个激子。这就像两个漂浮的物体，通过扰动它们周围的水波而相互牵引。”

为了证明这一效应，研究人员使用了一种名为硫化铬溴（CrSBr）的二维磁性半导体，他们先前已证明该半导体表现出光与物质之间的强烈相互作用（Nature，2023）。

博士后研究员比斯瓦吉特·达塔和普拉塔普·钱德拉·阿达克与研究生余思超和阿涅亚·达尔马帕拉一同领导了这项研究，并与来自纽约市立大学高级科学研究中心、布拉格化学与技术大学、德国凯撒斯劳滕工业大学和美国国家可再生能源实验室的团队展开了合作。

磁控技术开启新可能

“这一发现的特别之处在于，由于二维材料的可调磁性，我们可以利用磁场从外部控制激子间的相互作用。这意味着我们可以有效地开启或关闭这种相互作用，而其他类型的相互作用则很难做到这一点，”达塔表示。

迈向量子信号转换

“这一发现带来的一个尤为激动人心的应用是在量子转换器的开发上——量子转换器是一种能将量子信号从一个频率转换到另一个频率（例如从微波转换到光波）的设备。这些是构建量子计算机和实现量子互联网的关键组件，”本文的另一位主要作者阿达克（Adak）说道。

参考文献：《范德华反铁磁体中的磁振子介导激子-激子相互作用》，作者：比斯瓦吉特·达塔、普拉塔普·昌德拉·阿达克、于思超、阿涅亚·瓦利亚帕拉比尔·达尔马帕兰、西达·J·霍尔、安东·瓦库连科、菲利普·科米萨连科、叶戈尔·库尔加诺夫、全嘉敏、王伟、克谢尼娅·莫西娜、兹德涅克·索费尔、迪米塔尔·帕肖夫、马克·范·希尔夫加德、斯瓦加塔·阿查里雅、阿卡什迪普·卡姆拉、马修·Y·斯费尔、安德烈亚·阿卢、亚历山大·B·哈尼卡耶夫和维诺德·M·梅农，发表于2025年3月21日，《自然-材料》杂志。数字对象唯一标识符（DOI）：10.1038/s41563-025-02183-0

CCNY 的这项工作得到了美国能源部基础能源科学办公室、陆军研究办公室、国家科学基金会以及戈登与贝蒂·摩尔基金会的支持。