- 层状磁性半导体CrSBr可实现微波与光的转换。
- 该材料的磁性矩在微波信号下会集体响应，产生激子。
- 研究显示无需共振器即可使用大晶体进行转换，提供灵活性。
- 未来挑战在于将实验室成果转化为高效量子接口。
一种分层磁性半导体有望解决量子网络中最棘手的问题之一。研究人员希望能够在微波硬件和光学系统之间传递信息。纽约市立大学的物理学家已经展示了使用硫化铬溴化物（CrSBr）进行微波到光学的转换。他们的实验显示，材料内部的磁波能够将微波信号印刻到激光光束上。这一成果可能支持未来量子处理器与远距离光学网络之间的接口。
许多量子处理器以微波频率信号运行。然而，光纤提供了一条可行的通道，用于在长距离内传输信息。这种不匹配使得连接的量子系统面临重大工程挑战。转换器必须在不破坏信号的情况下，在不同频率之间转换信息。CCNY 团队使用 CrSBr 来执行该转换。该材料包含的磁性矩在施加微波信号时会集体响应。这些集体运动产生称为激子（magnons）的准粒子。随后，磁波与半导体内部的激子相互作用。
激子的形成与作用
当电子与空穴结合时，便形成激子。它们还会在特定的光学共振附近与光强烈相互作用。这种相互作用使得微波驱动的磁运动能够影响反射的激光光束，从而使光信号能够一致地跟随原始的微波激发。
研究人员测量了大约 300 兆赫的微波带宽下的转换情况。他们还通过施加外部磁场来改变工作频率。从工程角度来看，这一演示特别值得注意的一个细节是，团队在没有共振器的情况下使用了一块大晶体来达成该效果。光学和微波共振器可以增强频率转换系统中的相互作用。移除这些元件可以在早期设备开发中提供更大的灵活性。CrSBr 也具有分层结构，可以帮助工程师缩小未来设备的尺寸。
研究人员可以将材料减少到仅几层，同时保留其磁性和光学特性。
未来量子接口的挑战
来自 Vinod M. Menon 团队的博士后研究员 Pratap Chandra Adak 主导了该研究。他表示，该材料的结构为更强的相互作用和更紧密的集成创造了机会。CCNY 的纳米和微光子学实验室在 Menon 的领导下进行了该项工作。尽管实验展示了物理转换机制，但尚未转移个别量子态。这一区别至关重要，因为量子通信要求极高的效率。转换过程还必须引入极少的额外噪声。
研究人员确定了几种改进系统的方法。更薄的 CrSBr 层可以增加小型设备内部的相互作用。微波共振器和高质量光学腔体可以提供另一种增强转换的途径。团队还指出，激子-极化子（excitons-polaritons）可能是管理光学损失的一种方式。
Menon 表示，CrSBr 将强光学相互作用与微波频率的磁性结合在同一晶体中。扩展对分层磁性材料的研究可能揭示其他适合于光子-磁性设备的组合。接下来的工程挑战将是将实验室演示转变为高效的量子接口。这一步骤将决定该材料在未来量子网络中的实用性。该研究发表在《Nature Materials》期刊上。
项目 规格 材料 CrSBr 微波频率带宽 约 300 兆赫
层状磁性半导体的潜力与挑战
层状磁性半导体CrSBr的研究显示出其在量子网络中潜在的重要性，特别是在微波与光的转换方面。这一技术不仅能解决量子处理器与光学系统之间的连接问题，还能在未来的量子通信中提供更高的效率。然而，实验室的成功并不代表实际应用的可行性，如何将这些成果转化为高效的量子接口仍然是一大挑战，尤其是在降低噪声和提高转换效率方面。