【儀表網 研發快訊】 電子自旋可攜帶非易失的量子信息，是量子信息處理與存儲的重要自由度。將自旋態與光子相連接，可實現自旋量子信息的遠距離傳輸與探測，自旋-光子界面因此成為構建可擴展量子網絡和連接分離量子節點的關鍵基礎。傳統自旋-光子界面的研究主要集中在非磁性半導體量子點、二維過渡金屬硫族化合物以及缺陷自旋體系中。盡管磁性材料是當代自旋電子研究和存儲行業的支柱，但受限于光學不活躍的帶邊躍遷、光學性能下降以及有限的自旋弛豫和相干時間，其自旋-光子界面研究相對不足。新近發現的二維磁性半導體(如CrSBr)兼具強光-物質相互作用與磁-電子耦合效應，為這一領域帶來了新機遇。此外，磁振子作為磁性材料中獨特的集體自旋激發，在CrSBr中已被證明能夠與激子態強耦合并在超快時間尺度上調制光學響應。然而，現有研究主要集中在無結構樣品和動量積分測量中，磁振子-光子耦合在光子結構中的增強機制及其動量相關物理機制仍有待深入探索。
近期，中國科學院半導體研究所半導體芯片物理與技術全國重點實驗室王開友研究員、黃雨青研究員及其合作者報道了基于二維磁性半導體CrSBr一維超表面的磁振子-光子界面，該CrSBr超表面中承載的連續體內的束縛態(BICs)與激子發生強耦合，形成激子極化激元(EP)，其能量和輻射特性都可以通過外部磁場進行調控。進一步通過瞬態角分辨反射光譜測量，研究發現相干光學磁振子能夠對激子極化激元的能量進行超快調控，且引入了非平凡的動量依賴性，反映了自旋、磁振子與光子之間的協同耦合行為。相比之下，聲學磁振子僅表現為局域化調制信號，未體現出動量相關的相干耦合特征。理論分析表明，這種磁振子模式選擇性來源于CrSBr層間反鐵磁結構中不同磁振子的對稱性差異。
該研究在二維磁性半導體超表面中構建了一種磁振子-光子界面，通過利用二維磁性半導體中強光-物質相互作用與磁電效應之間的協同效應，在CrSBr磁性光子結構中展示了利用外磁場或相干磁振子對激子極化激元進行靜態和超快調控的能力。更重要的是，該研究觀測到了依賴于磁振子模式和動量的磁振子-激子極化激元相互作用，為泵浦光子到光學磁振子的直接動量轉移提供了有力證據，表明強耦合磁振子-激子極化激元雜化態已形成，揭示了磁性體系中自旋、磁振子與光子之間的相互作用特性。該研究結果為理解二維極限中的自旋、磁振子和光子相互作用提供了清晰的物理圖像，并為進一步探索基于二維磁性半導體的自旋功能光子和量子器件提供了新的研究平臺。
該成果以“A Magnon-photon interface based on Van der Waals Magnetic semiconductor”為題，發表于《自然-通訊》(Nature Communications，https://doi.org/10.1038/s41467-026-68767-9)。半導體所王開友研究員、 黃雨青研究員和中國科學技術大學鳳建崗教授為通訊作者，半導體所胡倩博士為第一作者。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的支持。
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