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科技日?qǐng)?bào)記者?張夢(mèng)然
據(jù)最新一期《自然》雜志報(bào)道，美國(guó)多家大學(xué)和橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的合作研究表明，磁性半導(dǎo)體溴化鉻中的磁振子可與激子配對(duì)，激子準(zhǔn)粒子會(huì)發(fā)光，從而為研究人員提供了一種 “看到”旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)粒子的途徑。
磁振子和激子之間的配對(duì)將使研究人員能夠看到自旋方向，這是量子應(yīng)用的重要考慮因素。
圖片來(lái)源：《自然》網(wǎng)站
所有磁鐵，從簡(jiǎn)單的冰箱貼到計(jì)算機(jī)中的內(nèi)存磁盤、再到實(shí)驗(yàn)室研究使用的強(qiáng)磁體，都包含稱為磁振子的旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)粒子。一個(gè)磁振子旋轉(zhuǎn)的方向可影響其“鄰居”的方向，進(jìn)而影響該“鄰居”的自旋，依此類推產(chǎn)生自旋波。信息可通過(guò)自旋波比電更有效地傳輸，并且磁振子可充當(dāng)“量子互連”，將量子比特“粘合”到強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)中。
如果沒(méi)有龐大的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，磁振子通常很難被發(fā)現(xiàn)。然而，使用合適的材料可使觀測(cè)磁振子變得更簡(jiǎn)單：一種稱為溴化鉻的磁性半導(dǎo)體，可剝離成原子薄的二維層。
當(dāng)用光擾動(dòng)磁振子時(shí)，研究人員觀察到激子在近紅外范圍內(nèi)的振蕩，這幾乎是肉眼可見(jiàn)的。這是研究人員第一次看到具有簡(jiǎn)單光學(xué)效應(yīng)的磁振子。
研究人員稱，這一結(jié)果可被視作量子轉(zhuǎn)導(dǎo)，也就是將一個(gè)“量子”能量轉(zhuǎn)換為另一個(gè)能量。激子的能量比磁振子大4個(gè)數(shù)量級(jí)，因?yàn)樗鼈內(nèi)绱司o密地配對(duì)在一起，研究人員可很容易地觀察到磁振子的微小變化。這種轉(zhuǎn)導(dǎo)有助于建立量子信息網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)需要從彼此相距幾毫米的基于自旋的量子比特中獲取信息，并將其轉(zhuǎn)換為光，這是一種可通過(guò)光纖將信息傳輸?shù)綌?shù)百公里外的能量形式。
研究表明，相干時(shí)間（振蕩可以持續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間）也很顯著，比實(shí)驗(yàn)的5納秒限制要長(zhǎng)得多。即使溴化鉻器件僅由兩個(gè)原子薄層制成，這種現(xiàn)象也可傳播超過(guò)7微米并持續(xù)存在，從而提高了構(gòu)建納米級(jí)自旋電子器件的可能性。這些設(shè)備將來(lái)有望成為當(dāng)今電子產(chǎn)品的更有效替代。與電流中的電子在行進(jìn)時(shí)遇到阻力不同，實(shí)際上沒(méi)有粒子在自旋波中移動(dòng)。
研究人員計(jì)劃從溴化鉻的量子信息潛力出發(fā)，探索其他二維材料的量子特性。通過(guò)像紙一樣堆疊這些材料，創(chuàng)造出各種新的物理現(xiàn)象。例如，如果在性質(zhì)與溴化鉻略有不同的其他磁性半導(dǎo)體中可找到磁激子耦合，它們可能會(huì)發(fā)出顏色更廣泛的光。
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