摘要
二维(2D)磁铁的最新发现1，2，3.，4，5，6并堆叠成范德华结构7，8，9，10，11拓展了二维现象的视野。一个令人兴奋的应用是利用相干磁振子12自旋电子学和磁振电子学中的高效信息载体13，14或者是混合量子系统中的相互连接15，16，17．当2D磁铁也是半导体时，就会出现一个特别的机会，正如最近报道的CrSBr(参考文献)。18，19，20.)和NiPS3.(参考文献。21，22，23)，由于带隙和空间限制，它既具有具有大振子强度的紧密结合的激子，又具有潜在的长寿命相干磁子。尽管磁振子和激子在能量上存在数量级的不匹配，但它们的耦合可以导致对自旋信息的有效光学访问。本文报道了二维a型反铁磁半导体CrSBr中的强磁-激子耦合。由间隙上方激发发射的相干磁振子调节激子能量。时间分辨激子传感揭示了可以相干传播超过7微米，相干时间超过5纳秒的磁振子。我们在偶数和奇数层中观察到这些激子耦合相干磁子，有和没有补偿磁化，直到双分子层极限。鉴于范德华异质结构的多功能性，这些相干二维磁子可能是光学可达自旋电子学、磁子学和量子互连的基础。
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确认
光谱和成像工作由材料科学与工程研究中心(MRSEC)通过NSF拨款DMR-2011738提供支持，Vannevar Bush教员奖学金通过海军研究办公室拨款N00014-18-1-2080对实验设备提供部分支持。CrSBr晶体的合成是可编程量子材料的一部分，该能源前沿研究中心由美国能源部(DOE)科学办公室，基础能源科学(BES)资助，授予DE-SC0019443。磁共振波谱工作由空军科学研究办公室资助，资助金额为FA9550-19-1-0307。图中磁场依赖实验。2摄氏度得到了能源部基础能源科学、材料科学与工程系(DE-SC0012509)的支持。振动样品磁测仪是由美国国家科学基金会通过DMR-1751949奖的补充资助购买的。这项研究使用了散裂中子源的资源，这是由橡树岭国家实验室运营的能源部科学用户设施办公室。这项研究得到了华盛顿大学橡树岭科学与教育研究所(ORISE)通过美国能源部和国家情报总监办公室(ODNI)之间的跨部门协议管理的情报界博士后研究奖学金计划的任命。我们非常感谢K. Lee, T. Handa和Y. Dai提供的帮助和讨论。
作者信息
作者及隶属关系
贡献
X.Z.和Y.J.B.构思了这个作品。Y.J.B.在j.w.、Y.B.和M.D.的协助下，在固定磁场下进行了所有光学测量。大块晶体在X.R.和C.R.D.的监督下由D.G.C.和m.e.z合成和表征。磁共振测量由Y.J.B.进行。磁场相关光学测量是由G.M.D.和J.C.在x.x的监督下进行的。理论分析是由Y.J.B.和A.S. x.z监督该项目。手稿是由Y.J.B.和X.Z.与所有其他作者协商准备的。所有作者都对手稿进行了阅读和评论。
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作者声明没有利益竞争。
同行评审
同行评审信息
自然感谢韩俊波(Jun-Bo Han)和其他匿名审稿人对这项工作的同行评议所做的贡献。
额外的信息
出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。
补充信息
补充信息
该文件包含补充章节1-15，包括补充图1-23，表1-5和参考文献。本节包括补充数据，包括温度相关、泵浦功率相关和零场瞬态反射谱，大量和少层样品中激子能量调制的计算，温度相关的反铁磁磁共振谱和使用Landau-Lifshitz方程1-18和线性自旋波理论的分析，相干磁子传播数据和群速度分析，频域磁子-声子耦合，磁子相干时间分析，样品的光学和原子力显微镜图像，光学设置包括瞬态反射率和磁光克尔效应，以及在可变温度下振动样品磁强计的各向异性场计算。
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关于本文
引用本文
裴永杰，王俊杰，史依，A。et al。二维半导体中的激子耦合相干磁子。自然609， 282-286(2022)。https://doi.org/10.1038/s41586-022-05024-1
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DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05024-1
这篇文章被引用
层状半导体中激子与杂化磁子之间的可调谐相互作用
自然纳米技术(2023)
