在 2022 年 4 月 20 日發(fā)表于《自然》雜志上的一篇文章中，華盛頓大學與香港大學的科學家們發(fā)現(xiàn)，激光可在非磁性材料中觸發(fā)某種形式的鐵磁性。據(jù)悉，這種“磁性”主要體現(xiàn)在電子的行為上。而得益于亞原子粒子所具有的“自旋”特性，其在量子計算領域也具有潛在的應用前景。

（圖自：Xi Wang / University of Washington）

研究人員發(fā)現(xiàn)，在被激光的光子照射時，超薄二硒化鎢和二硫化鎢材料中的電子會朝著相同的方向自旋。

論文資深合著者之一、來自華盛頓大學物理材料與工程系、兼波音特聘的許曉棟教授指出：

在該系統(tǒng)中，我們基本上可使用光子來控制被困在半導體材料中的電荷的‘基態(tài)’特性 —— 比如磁性。

此外得益于如此精細度的水平控制與電子自旋對齊，該平臺還有望在量子模擬領域發(fā)揮作用。

壓電響應力顯微鏡拍攝的二硒化鎢堆疊層的頂視圖（來自：Nature）

作為該校清潔能源研究所與分子研究所的研究員，許曉棟補充道：“這是為量子計算和其它應用開發(fā)某些類型的‘量子比特’而必要的控制水平”。

香港大學物理學教授 Wang Yao（論文資深合著者）、威斯康星大學物理材料科學與工程教授 Di Xiao（身兼 PNNL 職務）、以及該校分子工程材料中心主任兼化學教授 Daniel Gamelin 也參與了這項研究，其團隊致力于為研究結果提供理論支撐。

研究配圖 - 1：WS? / WSe? 異質(zhì)雙層的莫爾填充依賴

研究團隊選用了超薄的二硒化鎢 / 二硫化鎢薄片，每層厚度僅相當于三個原子。電子以介于全導電金屬和絕緣體之間的速度穿過實驗材料，并在光子學和太陽能電池中具有潛在用途。

有趣的是，研究人員將兩層疊成所謂的“莫爾超晶格”—— 這是一種由重復單元組成的堆疊結構，且超晶格能夠?qū)⒓ぷ颖３衷谶m當?shù)奈恢?，因而這種堆疊薄片可作為量子物理學和材料研究的強大平臺。

研究配圖 - 2：在 v ?= -1/3 填充附近觀察到的光致鐵磁性

所謂“激子”特指成對受激的電子、以及與之相關的正電荷，科學家們可測量它們在不同超晶格配置中的性質(zhì)與行為變化。在研究材料內(nèi)激子特性時，他們驚奇地在正常非磁性材料內(nèi)發(fā)現(xiàn)了關鍵的光誘導鐵磁性。

激光提供的光子，會在激光束路徑內(nèi)“激發(fā)”激子，而這些激子在其它電子之間引發(fā)了一種長程相關性 —— 都朝著同一方向自旋！

研究配圖 - 3：稀空穴氣中的光致鐵磁性

許表示：這就像是超晶格中的激子開始了與空間分離電子的“對話”，然后電子通過激子建立了交互作用，從而形成了具有對其自旋特性的所謂“有序狀態(tài)”。

據(jù)悉，作為鐵等材料的固有磁性方式，我們無法在常規(guī)狀態(tài)下的二硒化鎢和二硫化鎢上看到。然而莫爾超晶格中的每個重復單元，本質(zhì)上都可視作一個“捕獲”電子自旋的量子點。

研究配圖 - 4：使用光激發(fā)功率和填充因子調(diào)整磁態(tài)

能夠相互“交談”的被困電子自旋，奠定了一種量子比特的基礎。作為量子計算機的基本單元，它可利用量子力學的獨特特性開展計算。

此外在 2021 年 11 月 25 日發(fā)表于《科學》雜志的另一篇論文中，許與合著者也介紹過由超薄的（扭曲二維）三碘化鉻形成的莫爾超晶格中的磁特性。

截圖（來自：Science）

與二硒化鎢和二硫化鎢不同的是，三碘化鉻是一種固有磁性材料（即使是單層原子片），而堆疊的碘化鉻層又形成了交替的磁疇。

其中一面具有鐵磁性（擁有相同方向的自旋排列），另一面則是反鐵磁性的（超晶格相鄰層之間指向相反、且基本互相抵消）。

截圖（來自：Nature）

最后，許曉棟表示新研究還闡明了材料結構與其磁性之間的關系，或有助于推動計算、數(shù)據(jù)存儲和其它領域的未來發(fā)展。

有關這項研究的詳情，已經(jīng)發(fā)表在 2022 年 4 月 20 日出版的《自然》期刊上，原標題為《Light-induced ferromagnetism in moiré superlattices》。