摘要：物理学家开发了一种新颖的方法，即使在3D材料中，也具有在光学系统和高级计算中的潜在应用，以维持特殊的量子特征。...
量子技术有一个很大的问题 - 很小。亚原子量表上存在的独特特性通常在宏观尺度上消失，因此很难利用其对现实世界应用（如光学系统和高级计算）的出色感应和通信能力。然而，现在，由宾夕法尼亚州立大学和哥伦比亚大学物理学家领导的国际团队已经开发了一种新颖的方法来保持特殊的量子特征，即使是在三维（3D）材料中。
研究人员今天发表了他们的发现（2月19日）自然材料。
宾夕法尼亚州立大学物理学助理教授Yinning Shao说：“尽管二维（2D）材料显示的功能是巨大的，其潜力是革命性的，它的卓越特性仍然是一个巨大的挑战。”宾夕法尼亚州立大学物理学助理教授Yinning Shao解释说，这些材料通常是一种原子浓厚的材料，并且可以在量身定量中进行量身定量，并且可以在各种范围内进行柔和的电源。 “因此，实现，理解和控制纳米级限制对于探索量子物理和未来量子技术至关重要。”
该小组检查了被称为激子的准粒子，它们具有独特的光学特性，并且可以在半导体材料中携带能量而无需电荷的能量。半导体 - 在计算机，手机和其他电子设备之间无处不在 - 在某些条件下进行电力，并在其他条件下抑制它。当光撞击半导体时，产生激子，使电子能量跳到下一个能级。所得激发的电子及其剩余的孔共同称为激子。激子在典型的3D半导体（如硅）中同质出现。
肖说：“但是像硅这样的散装材料中激子的结合能通常很小，这意味着它不是很稳定，而且观察不容易。”他解释说，激子是最稳定的，并且仅在2D单层中显示出优越的特性。
制备2D材料的常规方法是在2004年开发的，并导致了石墨烯的发现，石墨烯是高电导率和强大的碳的单层碳。该过程很简单，但是劳动量很大，因为必须通过涂一块粘胶并将其剥离来从散装晶体中剥落。
在这种稀薄的2D状态下，激子可以无电荷携带能量，并在其电子和孔重组时发出光，Shao说，这对高级光学应用很有用。但是，为了将这些特性保存在足够大的材料中，用于此类应用，研究人员将需要生产大量的层。
为了做到这一点而无需手动剥离和堆叠每一层，研究人员转向了物理学的另一个方面：磁性。具体而言，他们专注于硫化铬溴化物（CRSBR），这是一种分层的磁性半导体，哥伦比亚大学化学教授Xavier Roy自2020年以来一直在研究和进一步发展。
在室温下，CRSBR像硅一样充当正常的半导体。将CRSBR降低到约-223度的华氏度，将其带到基态或最低能量状态。这将其转化为抗磁磁系统，其中系统颗粒的磁矩（通常称为“自旋”）以常规的重复模式对齐。该反铁磁有序专门针对CRSBR，可确保每一层交替其磁对齐，有效取消磁矩并使对外部磁力不敏感的材料。结果，激子倾向于以相同的自旋旋转在层中，而不是在相邻的旋转上徘徊在相邻的层上。就像交替的单向街道上的汽车一样，这些既定的边界都将激子限制在它们共享相同旋转方向的层中。
Shao说：“这是一种有效的方法，可以在不将其去除角质的同时保留尖锐的界面而在不剥离角质的情况下创建单层原子材料。” “这意味着我们可以实现在批量材料中在2D材料中证明的受限制激子的相同行为。”
使用光谱技术，理论建模和计算，研究人员确定，无论系统中有多少层，这种磁性限制都保持坚固，无论其限制了哪个层，包括表面层。
肖说：“我们做了很多工作来检查这实际上是否存在，而且确实如此。”
Shao的团队的发现得到了德国Tud Dresden Technology的Florian Dirnberger和Alexey Chernikov的证实，他们正在研究同样的磁性半导体。肖说，这两个小组决定比较笔记，发现他们都得出了同样的结论。
Shao说：“我们的数据非常好，这非常了不起，因为我们在不同的实验室中使用了两种不同的晶体材料。” “我们的结果彼此一致，并且与理论预测很好地吻合，因此我们写了这份联合论文。”
根据Shao的说法，对齐的结果来自利用磁性，范德华相互作用和激子的行为，以实现量子限制，并具有潜在的应用光学系统和量子技术的应用。
肖说：“物理学不同方面的婚姻是这一发现的关键方面。”
Shao在哥伦比亚大学完成了博士学位和博士后奖学金。其他贡献者是Siyuan Qiu，Evan J. Telford，Brian S.Y. Kim，Francesco L. Ruta，Andrew J. Mills，Daniel G. Chica，Avalon H. Dismukes，Michael E. Florian Dirnberger，Sophia Terres和Alexey Chernikov，Tud Dresden Dresden技术大学；美国国家可再生能源实验室的Swagata Acharya和Rupert Huber；英国伦敦国王学院的Dimitar Pashov； Mikhail I. Katsnelson，荷兰Radboud University； Kseniia Mosina和Mark Van Schilfgaarde，捷克共和国化学与技术大学布拉格大学；和德国雷根斯堡大学的Zdenek Sofer。 Dirnberger还隶属于慕尼黑技术大学。金也隶属于亚利桑那大学。米尔斯还隶属于Flatiron Institute。可以在论文中找到作者及其隶属关系的完整列表。
美国能源部，欧洲研究委员会，美国国家科学基金会，Würzburg-Dresden巨大的Quonse and Tostology of Quantum Matter和Emmy Noether计划的卓越群集支持这项工作。
