- 層狀磁性半導體CrSBr可實現微波與光的轉換。
- 該材料的磁性矩在微波信號下會集體響應，產生激子。
- 研究顯示無需共振器即可使用大晶體進行轉換，提供靈活性。
- 未來挑戰在於將實驗室成果轉化為高效量子接口。
一種分層磁性半導體有望解決量子網絡中最棘手的問題之一。研究人員希望能夠在微波硬件和光學系統之間傳遞資訊。紐約市立大學的物理學家已經展示了使用硫化鉻溴化物（CrSBr）進行微波到光學的轉換。他們的實驗顯示，材料內部的磁波能夠將微波信號印刻到鐳射光束上。這一成果可能支持未來量子處理器與長距離光學網絡之間的接口。
許多量子處理器以微波頻率信號運行。然而，光纖提供了一條可行的通道，用於在長距離內傳輸資訊。這種不匹配使得連接的量子系統面臨重大工程挑戰。轉換器必須在不破壞信號的情況下，在不同頻率之間轉換資訊。CCNY 團隊使用 CrSBr 來執行該轉換。該材料包含的磁性矩在施加微波信號時會集體響應。這些集體運動產生稱為激子（magnons）的準粒子。隨後，磁波與半導體內部的激子相互作用。
激子的形成與作用
當電子與空穴結合時，便形成激子。它們還會在特定的光學共振附近與光強烈相互作用。這種相互作用使得微波驅動的磁運動能夠影響反射的鐳射光束，從而使光信號能夠一致地跟隨原始的微波激發。
研究人員測量了大約 300 兆赫的微波帶寬下的轉換情況。他們還通過施加外部磁場來改變工作頻率。從工程角度來看，這一演示特別值得注意的一個細節是，團隊在沒有共振器的情況下使用了一塊大晶體來達成該效果。光學和微波共振器可以增強頻率轉換系統中的相互作用。移除這些元件可以在早期設備開發中提供更大的靈活性。CrSBr 也具有分層結構，可以幫助工程師縮小未來設備的尺寸。
研究人員可以將材料減少到僅幾層，同時保留其磁性和光學特性。
未來量子接口的挑戰
來自 Vinod M. Menon 團隊的博士後研究員 Pratap Chandra Adak 主導了該研究。他表示，該材料的結構為更強的相互作用和更緊密的集成創造了機會。CCNY 的納米和微光子學實驗室在 Menon 的領導下進行了該項工作。儘管實驗展示了物理轉換機制，但尚未轉移個別量子態。這一區別至關重要，因為量子通信要求極高的效率。轉換過程還必須引入極少的額外噪聲。
研究人員確定了幾種改進系統的方法。更薄的 CrSBr 層可以增加小型設備內部的相互作用。微波共振器和高品質光學腔體可以提供另一種增強轉換的途徑。團隊還指出，激子-極化子（excitons-polaritons）可能是管理光學損失的一種方式。
Menon 表示，CrSBr 將強光學相互作用與微波頻率的磁性結合在同一晶體中。擴展對分層磁性材料的研究可能揭示其他適合於光子-磁性設備的組合。接下來的工程挑戰將是將實驗室演示轉變為高效的量子接口。這一步驟將決定該材料在未來量子網絡中的實用性。該研究發表在《Nature Materials》期刊上。
項目 規格 材料 CrSBr 微波頻率帶寬 約 300 兆赫
層狀磁性半導體的潛力與挑戰
層狀磁性半導體CrSBr的研究顯示出其在量子網絡中潛在的重要性，特別是在微波與光的轉換方面。這一技術不僅能解決量子處理器與光學系統之間的連接問題，還能在未來的量子通信中提供更高的效率。然而，實驗室的成功並不代表實際應用的可行性，如何將這些成果轉化為高效的量子接口仍然是一大挑戰，尤其是在降低噪聲和提高轉換效率方面。