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磁性解决了量子技术中最大的问题之一
诸平
据美国宾夕法尼亚州立大学（Pennsylvania State University）2025年2月19日提供的消息,磁性刚刚解决了量子技术中最大的问题之一(Magnetism Just Fixed One of Quantum Tech’s Biggest Problems)。
量子技术正在努力扩大规模，因为量子材料的特殊性质通常会在更大的结构中消失。(Quantum technology struggles with scaling up, as the special properties of quantum materials typically vanish in larger structures.)
研究人员现在已经找到了一种利用磁约束来保持三维材料量子特性的方法。他们的工作重点是携带能量的激子(excitons)准粒子，这些准粒子在块状材料中通常是不稳定的，但可以利用硫化溴化铬(chromium sulfide bromide)的磁性来限制。
克服量子技术的规模问题(Overcoming the Scale Problem in Quantum Technology)
量子技术面临着一个重大挑战，它的定义性质只能在难以置信的小范围内工作。在亚原子水平上观察到的独特行为往往会在较大的结构中消失，这使得将其先进的传感和通信能力应用于光学设备和量子计算等现实世界系统变得困难。
现在，来自美国宾夕法尼亚州立大学（Pennsylvania State University简称Penn State, University Park, PA, USA）和哥伦比亚大学（Columbia University, New York, NY, USA）的一组物理学家已经开发出一种突破性的方法来保存这些量子效应，即使是在三维（3D）材料中。他们的发现于2025年2月19日已经在《自然材料》(Nature Materials)杂志网站发表——Yinming Shao, Florian Dirnberger, Siyuan Qiu, Swagata Acharya, Sophia Terres, Evan J. Telford, Dimitar Pashov, Brian S. Y. Kim, Francesco L. Ruta, Daniel G. Chica, Avalon H. Dismukes, Michael E. Ziebel, Yiping Wang, Jeongheon Choe, Youn Jue Bae, Andrew J. Millis, Mikhail I. Katsnelson, Kseniia Mosina, Zdenek Sofer, Rupert Huber, Xiaoyang Zhu, Xavier Roy, Mark van Schilfgaarde, Alexey Chernikov, D. N. Basov. Magnetically confined surface and bulk excitons in a layered antiferromagnet. Nature Materials, 19 February 2025. DOI: 10.1038/s41563-025-02129-6. https://www.nature.com/articles/s41563-025-02129-6
参与此项研究的有来自美国哥伦比亚大学（Department of Physics, Columbia University, New York, NY, USA; Department of Chemistry, Columbia University, New York, NY, USA; Department of Mechanical Engineering, Columbia University, New York, NY, USA; Department of Applied Physics and Applied Mathematics, Columbia University, New York, NY, USA）、美国宾夕法尼亚州立大学(Department of Physics, Pennsylvania State University, University Park, PA, USA)、德国德累斯顿理工大学(Institute of Applied Physics and Würzburg-Dresden Cluster of Excellence ct.qmat, TUD Dresden University of Technology, Dresden, Germany)、德国慕尼黑工业大学{Department of Physics, Technical University of Munich, Munich, Germany; Zentrum für Quantum Engineering (ZQE), Technical University of Munich, Garching, Germany; Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST), Technical University of Munich, Garching, Germany}、美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO, USA)、英国伦敦国王学院(Theory and Simulation of Condensed Matter, King’s College London, London, UK)、美国亚利桑那大学图森分校(Department of Materials Science and Engineering, University of Arizona, Tucson, AZ, USA)、美国纽约弗拉蒂隆研究所｛Center for Computational Quantum Physics (CCQ), Flatiron Institute, New York, NY, USA｝、荷兰内梅亨的拉布德大学(Institute for Molecules and Materials, Radboud University, Nijmegen, Netherlands)、捷克布拉格化学与技术大学(Department of Inorganic Chemistry, University of Chemistry and Technology Prague, Prague, Czech Republic)以及德国雷根斯堡大学{Department of Physics and Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy (RUN), University of Regensburg, Regensburg, Germany}的研究人员。
保持量子性质的挑战(The Challenge of Preserving Quantum Properties)
宾夕法尼亚州立大学物理学助理教授、上述研究论文的第一作者邵寅明（Yinming Shao音译）说：“尽管二维（2D）材料显示的功能是巨大的，它们的潜力是革命性的，但在二维极限之外保持它们的优越性能仍然是一个艰巨的挑战。”这些材料通常只有一个原子厚度的晶体具有广泛的应用，从柔性电子到能量存储和量子技术。“因此，纳米尺度约束的实现、理解和控制对于量子物理和未来量子技术的探索至关重要。”
激子：量子进步的关键(Excitons: The Key to Quantum Advancement)
研究小组研究了半导体材料中被称为激子的准粒子，它具有独特的光学特性，可以在不带电荷的情况下携带能量。在电脑、电话和其他电子产品中无处不在的半导体在某些条件下导电，在其他条件下则抑制导电。当光照射到半导体上时，就会产生激子，激发电子跳到下一个能级。由此产生的激发态电子和它留下的空穴被共同称为激子。激子均匀地出现在典型的三维半导体上，比如硅。
“但是像硅这样的块状材料中激子的结合能通常很小，这意味着它不是很稳定，也不容易观察，”邵寅明解释说,激子是最稳定的，而且只有在二维单层中才表现出优越的性能。
传统二维材料生产的局限性(The Limitations of Conventional 2D Material Production)
制作二维材料的传统方法是在2004年开发的，并导致石墨烯的发现。石墨烯是一种单层碳，具有高导电性和比钢更强的性能。这个过程很简单，但劳动强度大，因为每一层都必须用一块胶带从大块晶体上剥离下来。
在这种薄的二维状态下，激子可以不带电荷地携带能量，当电子和空穴重组时也会发光，邵寅明说这对先进的光学应用很有用。然而，为了在足够大的材料中保留这些特性，研究人员需要制造大量的层。
利用磁性来保持量子特性(Harnessing Magnetism to Preserve Quantum Properties)
为了做到这一点，而不用手工剥离和堆叠每一层，研究人员转向物理学的另一个方面：磁性。
具体来说，他们专注于硫化溴化铬（CrSBr），这是一种层状磁性半导体，哥伦比亚大学化学教授泽维尔`·罗伊(Xavier Roy)自2020年以来对其进行了广泛研究并进一步开发。
在室温下，CrSBr就像硅一样是一种普通的半导体。将CrSBr冷却到-223华氏度(-223℉)左右，使其处于基态，即能量最低的状态。这就把它变成了一个反铁磁系统，在这个系统中，磁矩通常被称为系统粒子的自旋，它们以规则的、重复的模式排列。特别是对于CrSBr，这种反铁磁顺序确保了每层的磁排列交替，有效地抵消了磁矩，使材料对外部磁力不敏感。
结果，激子倾向于留在具有相同自旋的层中，而不是旋转到具有相反自旋的相邻层中。
就像汽车在交替的单行道上行驶一样，这些既定的边界将激子限制在与它们共享相同自旋方向的层内。
邵寅明说：“这是一种有效的方法，可以在不剥离原子材料的情况下制造单层原子材料，同时仍然保持清晰的界面。这意味着我们可以在块状材料中实现2D材料中受限激子的相同行为。”
磁约束的实验验证(Experimental Validation of Magnetic Confinement)
利用光谱学技术、理论建模和计算，研究人员确定，无论系统中有多少层，也无论他们限制的是哪一层，包括表层，这种磁约束都是牢固的。邵寅明说：“我们做了很多工作来验证这一说法是否成立，而事实确实如此。”
德国德累斯顿工业大学( TUD Dresden University of Technology)的弗洛里安·丁伯格(Florian Dirnberger)和阿列克谢·切尔尼科夫(Alexey Chernikov)的研究小组也证实了邵寅明小组的发现，他们正在研究磁性半导体的相同特性。邵寅明说，两个小组决定交换一下意见，发现他们都得出了相同的结论。
邵寅明说：“我们的数据排列得很好，这很了不起，因为我们在不同的实验室使用了两种不同的晶体材料。我们的结果是一致的，与理论预测是一致的，所以我们写了上述的这篇联合论文。”
量子技术的新时代(A New Era for Quantum Technology)
邵寅明说，这一一致的结果来自于利用磁性、范德华相互作用(Van der Waals interactions)和激子的行为，以实现量子约束，并具有推进光学系统和量子技术的潜在应用。
邵寅明说:“物理学的这些不同方面的结合是这一发现的一个关键。”
本研究得到了美国能源部{US Department of Energy (DOE), Office of Science, Basic Energy Sciences (BES), under award no. DE-SC0019443; US DOE, Office of Science, BES, under award no. DE-AC36-08GO28308; award no. DE-AC02-05CH11231 using NERSC award no. BESERCAP0021783}、欧洲研究理事会{European Research Council简称ERC, ERC Synergy Grant, project no. 854843 FASTCORR (ultrafast dynamics of correlated electrons in solids); ERC-CZ program (project no. LL2101) from the Ministry of Education Youth and Sports (MEYS) and used large infrastructure from project reg. no. CZ.02.1.01/0.0/0.0/15_003/0000444 financed by the EFRR}、美国国家科学基金会(U.S National Science Foundation, NSF through a supplement to award no. DMR-1751949)、维尔茨堡-德累斯顿量子物质复杂性和拓扑卓越集群{Würzburg-Dresden Cluster of Excellence on Complexity and Topology in Quantum Matter ct.qmat (EXC 2147, Project ID 390858490)}、德国研究基金会｛Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) through research grant HU1598/8 and SFB 1277, project-ID 314695032｝以及埃米·诺特计划{Emmy Noether Program (Project ID 534078167)}的支持或资助。
上述介绍仅供参考，欲了解更多信息敬请注意浏览原文和相关报道。
The discovery of two-dimensional van der Waals magnets has greatly expanded our ability to create and control nanoscale quantum phases. A unique capability emerges when a two-dimensional magnet is also a semiconductor that features tightly bound excitons with large oscillator strengths that fundamentally determine the optical response and are tunable with magnetic fields. Here we report a previously unidentified type of optical excitation—a magnetic surface exciton—enabled by the antiferromagnetic spin correlations that confine excitons to the surface of CrSBr. Magnetic surface excitons exhibit stronger Coulomb attraction, leading to a higher binding energy than excitons confined in bulk layers, and profoundly alter the optical response of few-layer crystals. Distinct magnetic confinement of surface and bulk excitons is established by layer- and temperature-dependent exciton reflection spectroscopy and corroborated by ab initio many-body perturbation theory calculations. By quenching interlayer excitonic interactions, the antiferromagnetic order of CrSBr strictly confines the bound electron–hole pairs within the same layer, regardless of the total number of layers. Our work unveils unique confined excitons in a layered antiferromagnet, highlighting magnetic interactions as a vital approach for nanoscale quantum confinement, from few layers to the bulk limit.
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