科学家发现WS₂与WSe₂莫尔超晶格中的光诱导铁磁性

在 2022 年 4 月 20 日发表于《自然》杂志上的一篇文章中，华盛顿大学与香港大学的科学家们发现，激光可在非磁性材料中触发某种形式的铁磁性。据悉，这种“磁性”主要体现在电子的行为上。而得益于亚原子粒子所具有的“自旋”特性，其在量子计算领域也具有潜在的应用前景。

（图自：Xi Wang / University of Washington）

研究人员发现，在被激光的光子照射时，超薄二硒化钨和二硫化钨材料中的电子会朝着相同的方向自旋。

论文资深合著者之一、来自华盛顿大学物理材料与工程系、兼波音特聘的许晓栋教授指出：

在该系统中，我们基本上可使用光子来控制被困在半导体材料中的电荷的‘基态’特性 —— 比如磁性。

此外得益于如此精细度的水平控制与电子自旋对齐，该平台还有望在量子模拟领域发挥作用。

压电响应力显微镜拍摄的二硒化钨堆叠层的顶视图（来自：Nature）

作为该校清洁能源研究所与分子研究所的研究员，许晓栋补充道：“这是为量子计算和其它应用开发某些类型的‘量子比特’而必要的控制水平”。

香港大学物理学教授 Wang Yao（论文资深合著者）、威斯康星大学物理材料科学与工程教授 Di Xiao（身兼 PNNL 职务）、以及该校分子工程材料中心主任兼化学教授 Daniel Gamelin 也参与了这项研究，其团队致力于为研究结果提供理论支撑。

研究配图 - 1：WS₂ / WSe₂ 异质双层的莫尔填充依赖

研究团队选用了超薄的二硒化钨 / 二硫化钨薄片，每层厚度仅相当于三个原子。电子以介于全导电金属和绝缘体之间的速度穿过实验材料，并在光子学和太阳能电池中具有潜在用途。

有趣的是，研究人员将两层叠成所谓的“莫尔超晶格”—— 这是一种由重复单元组成的堆叠结构，且超晶格能够将激子保持在适当的位置，因而这种堆叠薄片可作为量子物理学和材料研究的强大平台。

研究配图 - 2：在 v  = -1/3 填充附近观察到的光致铁磁性

所谓“激子”特指成对受激的电子、以及与之相关的正电荷，科学家们可测量它们在不同超晶格配置中的性质与行为变化。在研究材料内激子特性时，他们惊奇地在正常非磁性材料内发现了关键的光诱导铁磁性。

激光提供的光子，会在激光束路径内“激发”激子，而这些激子在其它电子之间引发了一种长程相关性 —— 都朝着同一方向自旋！

研究配图 - 3：稀空穴气中的光致铁磁性

许表示：这就像是超晶格中的激子开始了与空间分离电子的“对话”，然后电子通过激子建立了交互作用，从而形成了具有对其自旋特性的所谓“有序状态”。

据悉，作为铁等材料的固有磁性方式，我们无法在常规状态下的二硒化钨和二硫化钨上看到。然而莫尔超晶格中的每个重复单元，本质上都可视作一个“捕获”电子自旋的量子点。

研究配图 - 4：使用光激发功率和填充因子调整磁态

能够相互“交谈”的被困电子自旋，奠定了一种量子比特的基础。作为量子计算机的基本单元，它可利用量子力学的独特特性开展计算。

此外在 2021 年 11 月 25 日发表于《科学》杂志的另一篇论文中，许与合著者也介绍过由超薄的（扭曲二维）三碘化铬形成的莫尔超晶格中的磁特性。

截图（来自：Science）

与二硒化钨和二硫化钨不同的是，三碘化铬是一种固有磁性材料（即使是单层原子片），而堆叠的碘化铬层又形成了交替的磁畴。

其中一面具有铁磁性（拥有相同方向的自旋排列），另一面则是反铁磁性的（超晶格相邻层之间指向相反、且基本互相抵消）。

截图（来自：Nature）

最后，许晓栋表示新研究还阐明了材料结构与其磁性之间的关系，或有助于推动计算、数据存储和其它领域的未来发展。

有关这项研究的详情，已经发表在 2022 年 4 月 20 日出版的《自然》期刊上，原标题为《Light-induced ferromagnetism in moiré superlattices》。