摘要：一组研究人员表明，量子“奇迹材料”可以支持磁开关。...

雷根斯堡大学和密歇根大学的一组研究人员表明，一种量子“奇迹材料”可以支持磁开关。

最近发现的功能可以帮助实现量子计算，传感等方面的应用。虽然早期的研究表明，称为激子的量子实体有时被有效地局限于材料硫化物溴化物中的一条线，但新的研究提供了一个彻底的理论和实验证明，解释了这如何与材料中的磁顺序连接。

硫化铬溴对量子研究人员来说是令人兴奋的，因为它几乎可以支持任何方式进行物理编码：电荷，光子（光），磁性（电子旋转）和声子（振动，例如声音）。

“长期视觉是，您可能有可能构建使用这三个甚至所有这些属性的量子机或设备：光子传输信息，电子通过其交互作用来处理信息，磁性以存储信息以及声音将信息调节并传递到新频率上，” Mackillo Kira说，电气和计算机工具的U-M Mackillo Kira说。

硫化物溴化物可以编码量子信息的方式之一是激子。当电子从半导体中移出其“地面”能状态时，会形成激子，从而将电子状态转移到较高的能量状态下，留下“孔”。电子和孔是配对的，该集体状态是激子。

激子被硫化铬溴的异常磁性捕获在单层中。该材料由仅几个厚的层组成，例如分子叶状糕点。在低温下，在132 kelvin（-222华氏度）以下，层被磁化 - 电子的旋转相互对齐。磁场的方向从一层切换到另一层。这是一种抗铁磁结构。

高于132开Kelvin的材料未磁化 - 热量可以防止电子旋转保持对齐，因此它们指向随机方向。在未磁性状态下，激子并没有被困，而是延伸到多个原子层，使其三维。他们也可以朝任何方向移动。

当抗铁磁结构将激子限制在单个原子层中时，激子进一步仅限于单个线（单个维度），因为它们仅能沿平面的两个轴之一沿着一个轴线移动。在量子设备中，这种限制有助于量子信息持续更长的时间，因为激子彼此相撞并丢失了他们携带的信息的可能性较小。

德国雷根斯堡大学物理学教授鲁珀特·胡伯（Rupert Huber）说：“磁性顺序是用于塑造激子及其相互作用的新调整旋钮。这可能是未来电子和信息技术的游戏规则改变者。”

由休伯（Huber）领导的实验团队在硫化铬溴化物样品中产生了激子，并用仅20个四分之一四分之一长的红外光线击中硫化物溴化物。然后，他们使用了另一种红外激光器，具有较低的能量脉冲来将激子推向稍高的能量状态。通过这种方式，他们发现具有令人惊讶的能量不同的激子有两种变体 - 通常，它们将具有相同的能量。能量状态的这种分裂称为精细结构。

该团队还通过沿材料中的两个不同轴射击那些不太有能量的脉冲来探测激子的内部结构，从而探索了材料在空间中的变化。这种方法揭示了高度依赖于方向的激子，可以将其局限于一条线，也可以在三个维度上扩展。这些配置可以根据磁状态进行调整，可通过外部磁场或温度变化进行切换。

“电子，光子和自旋自由度紧密相互交织，因此在磁化和非磁性状态之间切换可以作为转换光子和基于自旋的量子信息的一种非常快速的方法，” U-M MATTHIAS FLORIAN，UPTHIAS FLORIAN，电脑和计算机工程研究人员与Marlene Liebich，ph.d.d.D.D.D.D.D.雷根斯堡大学物理学候选人。

由基拉（Kira）领导的理论团队通过量子多体计算解释了这些结果。该计算使用材料的结构系统地预测磁性有序的材料中极大的细胞结构分裂，以及当材料进出磁性顺序时，两个激子状态之间的过渡。他们还确认，从一维造成的激子的过渡是造成激子在不相撞的情况下可以进行多长时间的实质变化的原因，因为较大和更多的移动激子有更多的碰撞机会。

团队计划追求的一个大问题之一是，这些激动的激动子是否可以转换为电子旋转中体现的磁激发。如果可以做到，它将为在截然不同的光子，激子和旋转世界之间转换量子信息提供有用的途径。

这项研究得到了德国研究基金会，国家科学基金会，空军科学研究办公室和U-M的高级研究计算资源的支持。

捷克共和国化学与技术布拉格大学的研究人员和德国技术大学的研究人员也为这项研究做出了贡献。