科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然

美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)和哥倫比亞大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)在新一期《自然·材料》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)重要研究成果，展示了如何在三維材料中保持特殊的二維量子特性。這一突破為現(xiàn)實(shí)世界中的光學(xué)系統(tǒng)和高級(jí)計(jì)算應(yīng)用提供了新的可能性。

盡管二維材料如石墨烯展示了廣泛的功能，并具有革命性的潛力，但維持其在二維極限之外的優(yōu)異性能仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。這類材料通常只有一個(gè)原子厚的晶體層，可用于柔性電子、儲(chǔ)能和量子技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域。因此，實(shí)現(xiàn)、理解和控制納米級(jí)限制，對(duì)于量子物理的研究和未來(lái)量子技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。

團(tuán)隊(duì)專注于研究半導(dǎo)體材料中的激子（一種攜帶能量而不帶電荷的準(zhǔn)粒子）。然而，傳統(tǒng)塊體材料中的激子結(jié)合能較小，導(dǎo)致它們不夠穩(wěn)定且難以觀察到。激子在二維單層中表現(xiàn)最為穩(wěn)定并展現(xiàn)出優(yōu)異性能。傳統(tǒng)的二維材料制備方法涉及手工剝離和堆疊每一層，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且效率低下。

為了克服這些挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了另一種物理學(xué)現(xiàn)象——磁性。他們特別關(guān)注了一種稱為鉻硫化溴化物（CrSBr）的層狀磁性半導(dǎo)體。在室溫下，CrSBr作為普通半導(dǎo)體工作。將其冷卻至約131.5開(kāi)爾文時(shí)，CrSBr轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F磁系統(tǒng)，其中各層以規(guī)則、重復(fù)的方式排列其磁矩（自旋），從而有效地抵消磁矩并使材料對(duì)外部磁場(chǎng)不敏感。

這種反鐵磁排序確保每一層交替其磁排列，使得激子傾向于停留在具有相同自旋方向的層中，而不是圍繞具有相反自旋的相鄰層。通過(guò)這種方式，團(tuán)隊(duì)無(wú)需手動(dòng)剝離即可創(chuàng)建單層原子材料，同時(shí)仍可保留清晰的界面。這意味著可以在塊體材料中實(shí)現(xiàn)與二維材料相同的受限激子行為。

團(tuán)隊(duì)利用光譜技術(shù)、理論建模和計(jì)算確定，無(wú)論系統(tǒng)有多少層，這種磁約束都能牢固地將激子限制在其共享相同自旋方向的層中。這一發(fā)現(xiàn)得到了德國(guó)另一研究團(tuán)隊(duì)的獨(dú)立驗(yàn)證，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)使用不同晶體材料在各自實(shí)驗(yàn)室中獲得了高度一致的結(jié)果。

通過(guò)這種方法，科學(xué)家可以更高效地開(kāi)發(fā)出具有卓越性能的新型材料，從而推動(dòng)下一代高性能計(jì)算和光學(xué)設(shè)備的發(fā)展。