二維凡得瓦爾磁體 CrSBr 中受強磁場調控的激子極化激元

核心概念

本研究揭示了在二維凡得瓦爾磁體 CrSBr 晶體中，B 激子與光子產生的強耦合現象，以及該耦合行為如何受外加磁場的顯著調控。

摘要

文獻摘要

本研究探討了二維凡得瓦爾磁體 CrSBr 晶體中，B 激子與光子耦合形成激子極化激元的現象，並著重於外加磁場對此耦合行為的影響。研究發現，在適度的平面內磁場（0.45 T）下，由於自旋躍遷過程中激子態的變化，拉比分裂能可被調控高達 100 meV。此外，在低於 B 激子能量 100 meV 的範圍內，激子極化激元的光速和有效質量分別被調控了 10.3% 和 26.1%。更重要的是，這種強耦合現象在室溫下仍然存在，並可通過溫度調節激子-磁振子和激子-聲子耦合來控制。這些發現為開發可控的強耦合系統，應用於自旋相關的量子光電應用，開闢了新的途徑。

研究方法

• 樣品製備：利用機械剝離法，從塊狀 CrSBr 單晶中剝離出厚度從數十到數百納米的 CrSBr 晶體，並將其轉移到預先清潔的 SiO2/Si 基板上。
• 光學特性表徵：利用自組裝的傅立葉成像裝置進行室溫下的角分辨測量，並使用配備 50 倍物鏡的低溫恆溫器進行低溫下的角分辨反射率測量。平面內磁場相關測量則使用電磁鐵實現。激發密度相關光譜則使用超連續雷射作為激發源。磁圓二色性（MCD）測量則使用另一套超連續雷射系統，並配備單色儀和矽光電探測器。

主要發現

• CrSBr 晶體中的 B 激子與光子產生了超強耦合，拉比分裂能高達 695 meV，遠超過先前報導的自雜化激子極化激元系統。
• B 激子和 B 激子極化激元的行為高度依賴於磁序，並可通過外加磁場有效地調節。
• 在反鐵磁（AFM）到鐵磁（FM）序的轉變過程中，激子極化激元能量（高達 60 meV）和拉比分裂能（高達 100 meV）都發生了顯著的變化。
• 溫度可以通過調節激子和磁振子/聲子之間的相互作用來調節耦合的激子極化激元行為，並在室溫下保持強耦合。

研究意義

本研究揭示了 CrSBr 晶體中磁場可調控的超強耦合現象，其拉比分裂能、光速和有效質量的調控幅度均超過了大多數已知的半導體激子極化激元系統，使其成為未來研究自旋相關強光-物質相互作用的理想材料。此外，該材料在開放腔體中室溫下仍可維持超強耦合，結合凡得瓦爾材料豐富的堆疊工程特性，為開發整合磁、電、光功能的晶片級集成極化激元器件提供了理想的平台，並在非揮發性記憶體、量子計算和磁光探測等領域具有潛在的應用價值。

統計資料

在適度的平面內磁場（0.45 T）下，拉比分裂能可被調控高達 100 meV。
在低於 B 激子能量 100 meV 的範圍內，激子極化激元的光速和有效質量分別被調控了 10.3% 和 26.1%。
CrSBr 晶體中的 B 激子與光子產生了超強耦合，拉比分裂能高達 695 meV。
B 激子的波爾半徑沿 b 軸和 a 軸分別為 0.90 nm 和 0.25 nm。
CrSBr 的尼爾溫度為 132 K。

引述

"The Rabi splitting energy is tuned up to 100 meV within a moderate 0.45 T in-plane magnetic field due to changes in excitonic states during the spin transitions."
"Besides, the light velocity and effective mass of exciton-polaritons are tuned by 10.3% and 26.1% below 100 meV of exciton energy."
"Furthermore, the strong coupling persists at room temperature, controlled by temperature-tailored exciton-magnon and exciton-phonon coupling."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Strongly Magnetically Tuned Exciton-Polaritons in van der Waals CrSBr

by Chun Li, Cha... 於 arxiv.org 11-19-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.11555.pdf

深入探究

如何利用 CrSBr 晶體中磁場可調控的激子極化激元特性來構建具體的量子計算或磁光探測器件？

CrSBr 晶體中磁場可調控的激子極化激元特性為構建新型量子計算和磁光探測器件提供了豐富的可能性。以下列舉幾種潛在的應用方向：
量子計算方面：

單光子源: CrSBr 中強耦合產生的激子極化激元可以作為高效的單光子源。通過外加磁場精確調控激子極化激元的能級和自旋，可以實現對單光子發射的按需操控，這對構建量子光學網絡至關重要。
量子邏輯閘: 利用不同自旋態的激子極化激元可以構建量子比特，並通過磁場調控它們之間的相互作用來實現量子邏輯閘操作。CrSBr 中巨大的塞曼分裂效應和可控的激子-磁子耦合為實現這一目標提供了有利條件。
量子模擬器: 通過構建 CrSBr 激子極化激元陣列，可以模擬凝聚態物理中的複雜多體系統，例如玻色-愛因斯坦凝聚態和拓撲量子態。磁場調控為研究這些系統的相變和動力學過程提供了額外的控制手段。
磁光探測方面:

高靈敏度磁傳感器: CrSBr 中激子極化激元的能量、亮度和偏振狀態對磁場變化非常敏感，可以利用這一特性開發高靈敏度的磁傳感器。相較於傳統的磁傳感器，基於 CrSBr 的器件具有更高的靈敏度、更低的功耗和更小的尺寸。
磁光調制器: 通過外加磁場動態調控 CrSBr 中激子極化激元的特性，可以實現對光的振幅、相位和偏振狀態的調制，進而構建高速、低功耗的磁光調制器，應用於光通信和光信息處理領域。
二維磁光成像: 利用 CrSBr 中激子極化激元對磁疇的敏感性，可以開發空間分辨的磁光成像技術，用於研究磁性材料的磁疇結構和動力學行為，這對開發新型磁存儲器件和自旋電子器件具有重要意義。
總之，CrSBr 晶體中磁場可調控的激子極化激元特性為構建新型量子計算和磁光探測器件提供了廣闊的應用前景。隨著材料製備和器件工藝的進一步發展，相信基於 CrSBr 的新型器件將在未來展現出更為優異的性能和更廣泛的應用。

是否存在其他二維凡得瓦爾磁體材料也具有與 CrSBr 相似的強耦合行為，並展現出不同的磁場響應特性？

是的，除了 CrSBr 之外，其他一些二維凡得瓦爾磁體材料也展現出與光子強耦合的特性，並且它們對磁場的響應也不盡相同。以下列舉一些例子：

CrCl3: 與 CrSBr 類似，CrCl3 也具有層狀反鐵磁結構，並且其激子也能與光子發生強耦合。然而，CrCl3 的 Néel 溫度較低（約 17 K），因此其磁場響應主要在更低的溫度下才能觀察到。
NiPS3: NiPS3 是一種反鐵磁半導體，其激子與光子的耦合強度相對較弱，但其磁場響應卻非常顯著。研究表明，NiPS3 中的激子極化激元能量會隨著磁場的增強而發生明顯的移動，並且在特定磁場下會出現新的極化激元分支。
FePS3: FePS3 也是一種反鐵磁半導體，其激子與光子的耦合強度介於 CrSBr 和 NiPS3 之間。與 NiPS3 不同的是，FePS3 中的激子極化激元能量對磁場的響應呈現出非單調的變化趨勢。
這些材料展現出的不同磁場響應特性主要源于其不同的磁性基態、自旋-軌道耦合強度以及激子-磁子相互作用。通過對這些材料的深入研究，我們可以更全面地理解二維磁體中的光-物質相互作用，並為開發新型磁光器件提供更多選擇。

如果將 CrSBr 晶體與其他材料（如拓撲絕緣體或超導體）結合，是否會產生更奇特的激子極化激元行為和應用？

將 CrSBr 晶體與其他材料如拓撲絕緣體或超導體結合，的確有可能產生更奇特的激子極化激元行為，並催生出全新的應用。
以下是一些可能的發展方向：

與拓撲絕緣體結合: 拓撲絕緣體具有受拓撲保護的邊緣態，這些邊緣態對散射免疫，可以實現無耗散的電子傳輸。將 CrSBr 與拓撲絕緣體結合，可以利用拓撲絕緣體的邊緣態來增強激子極化激元的傳播距離和寿命，並可能實現對激子極化激元自旋的有效操控，這對構建低功耗、高速度的自旋電子器件具有重要意義。
與超導體結合: 超導體在低溫下電阻為零，可以無損耗地傳輸電流。將 CrSBr 與超導體結合，可以利用超導體的特性來抑制激子極化激元的能量損耗，並可能實現激子極化激元與超導電流的耦合，這對開發新型超導電子器件和量子信息處理器件具有重要意義。
此外，將 CrSBr 與其他材料結合還可以產生以下新奇的物理現象和應用：

非線性光學效應: 將 CrSBr 與具有強非線性光學效應的材料結合，可以利用激子極化激元增強非線性光學響應，並可能實現對光的相干控制，這對開發新型光學開關、光學邏輯器件和光學傳感器具有重要意義。
谷電子學: CrSBr 本身就具有谷自由度，將其與其他具有谷自由度的材料結合，可以構建更複雜的谷電子學器件，並可能實現對谷信息的編碼、存儲和處理。
總之，將 CrSBr 晶體與其他材料結合具有巨大的潜力，可以產生許多新奇的物理現象和應用。隨著研究的深入，相信我們可以開發出更多基於 CrSBr 的新型功能器件，並推動其在量子信息處理、自旋電子學和光電子學等領域的應用。