光束可重写二维量子晶体磁性

参考消息网报道 据西班牙《趣味》月刊网站7月18日报道，美国纽约物理学家已收集到证据，证明光能够读取并重写某些仅有几个原子厚度晶体的磁性。那么这种光学调控手段究竟能达到怎样的水平？

美国纽约市立学院的普拉塔普·钱德拉·埃达克和维诺德·M.梅农在英国《自然-材料学》杂志上发表了一篇综述文章，总结了多年来针对一种非常特殊的晶体——范德华磁性半导体的实验研究。这种材料的厚度仅为几个原子，且维持自身晶体结构不变。在这些材料中，光、电荷和磁性不再表现为互不相关的现象。它们属于更广泛的二维量子晶体家族。近年来，该家族不断展现出其三维同种材料所不具备的独特性质。

这个核心问题虽然简单，却难以回答：光源除了能检测，能否控制一种材料的磁序？我们有必要从一开始就明确一点，因为只有在非常具体的条件下，答案才开始变得肯定，而使之成为可能的机制拥有一个专有名词：激子。

当光线照射到这些晶体时，一个光子可能会将一个电子从其位置剥离，并留下一个带正电的空穴。实际上，电子和空穴并未完全分离：它们形成一个暂时的组合，这就是激子，它们就像两名舞者，在消散前会相拥旋转片刻。在三碘化铬、溴硫化铬和三硫化镍磷等材料中，这种“舞蹈”并非发生在真空环境中：激子会直接与晶体的磁序相互作用，且这种相互作用是双向的。光不仅能揭示每个原子的自旋取向，在特定条件下，甚至可以重写自旋排布。可见，光不再仅是一种简单的测量工具，而是像一根杠杆，推动着晶体的磁序。

要理解这一发现的意义，第二个必须掌握的概念是磁子。磁性材料中原子自旋的状态既非完全静止，也非完全无序；它们能以集体振荡的形式传播，就像体育场看台上成千上万的观众依次起立、坐下时形成涌动的浪潮。这种被量化的自旋振荡就是磁子。

来自慕尼黑工业大学、华盛顿大学的研究人员在美国国防部高级研究计划局以及戈登与贝蒂·穆尔基金会的资助下，证实了激子能够与这些磁子耦合。这实际上意味着，光不仅能够操控材料的静态磁态，还能操控其运动中的自旋波。正是这种能力激发了人们对自旋电子学和量子换能器的兴趣。量子换能器能在无需导线或传统电流的情况下，直接完成光信息与磁信息的相互交换。

三种不同的材料——三碘化铬、溴硫化铬和三硫化镍磷均表现出相同类型的光磁耦合现象，这证明这并非单个样本的特例，而是二维磁性半导体的一种更普遍的特性。

下一步是寻找在更易控温度下仍能维持光与自旋耦合的系统，并构建目前尚缺乏的理论模型，以便对其进行预测。在此之前，每一种新加入范德华晶体名录的晶体，连同同期出现的其他二维材料，都在为我们揭示：在走出实验室极低温环境之前，光控磁性究竟可以实现多大的能力边界。（编译/刘丽菲）