纽约市立学院的研究人员证实了一件听起来像量子物理狂热梦境的事：在只有几个原子厚的材料中，光、电荷和磁性不再像派对上的尴尬陌生人，而是开始像亲密朋友一样相处。物理学家Vinod M. Menon的纳米与微光子学实验室（LaNMP）一直在绘制这个快速发展的量子科学领域，他们这么做可不只是为了学术刺激。他们相信，这些不寻常的相互作用最终能为先进的光电器件和量子技术提供动力，这些技术可以同时操控光、电荷和电子自旋——毕竟，为什么要满足于一次只操控一个东西呢？

在一篇发表在《自然·材料》上、题为“范德华磁性材料中的激子”的综述中，团队审视了涉及层状磁性半导体的最新进展。这些材料允许由光产生的激发（称为激子）与磁序以及被称为磁子的磁波相互作用。对于不熟悉量子语言的人来说，激子是这样形成的：入射光激发一个电子，使其移动并留下一个带正电的“空穴”。电子和空穴保持联系，形成一个电中性粒子，但仍能与光强烈相互作用。而磁子则是穿过材料有序磁结构的集体波——可以把它们想象成磁学世界的海浪。

科学家们多年来一直试图将富含激子的半导体的光学特性与磁性结合起来。早期的策略包括向半导体中添加磁性原子，或将原子级薄的半导体堆叠在磁性材料上——本质上是在强行撮合友谊。范德华磁性半导体提供了一种更直接的方法：在这些晶体中，激子和磁矩可以从相同的电子轨道中产生。这种共同的起源使得光和磁性能够在材料内部相互影响。“在这些材料中，光和磁性不再作为独立的通道运作，”Menon课题组的博士后研究员、该综述的第一作者Pratap Chandra Adak说。“激子不仅仅是坐落在磁性之上的被动光驱动激发。它可以感知自旋序和磁子，在适当条件下，甚至有助于控制磁态本身。”

该综述审视了几种重要的材料平台，包括三碘化铬、三硫化二磷镍和溴硫化铬。对这些二维磁体的研究揭示了激子和磁性行为相互影响的几种方式。激子可以显著增强磁光效应，使科学家能够通过观察光偏振的变化来识别磁态。磁序还可以改变激子的能量，并影响它们在材料中的局限位置。激子与磁子之间的相互作用可以将光学信号与以千兆赫频率发生的磁性活动联系起来。研究人员还讨论了激子极化激元，这是一种结合了光和物质特性的混合粒子，可以通过材料传输光学信息——因为大自然显然觉得光子和电子还不够。

“在过去几年中，这个领域已经从在原子级薄晶体中探测磁性，发展到积极探索磁序如何控制光-物质相互作用，”Menon说，他是物理学教授，也是该综述的资深作者。“本文的目标是将这些发展整合成一个连贯的框架，并确定该领域下一步可以走向何方。”研究人员确定了几个潜在应用，这些应用依赖于在极小尺度上精确控制光和磁性。其中包括磁光子存储和数据读出、全光逻辑、可调发光器件、磁传感器以及量子换能器，这些换能器可以在不同形式的量子信息之间进行转换。