在2022 年4 月20 日發表於《自然》雜誌上的一篇文章中，華盛頓大學與香港大學的科學家們發現，激光可在非磁性材料中觸發某種形式的鐵磁性。據悉，這種“磁性”主要體現在電子的行為上。而得益於亞原子粒子所具有的“自旋”特性，其在量子計算領域也具有潛在的應用前景。

（圖自：Xi Wang / University of Washington）

研究人員發現，在被激光的光子照射時，超薄二硒化鎢和二硫化鎢材料中的電子會朝著相同的方向自旋。

論文資深合著者之一、來自華盛頓大學物理材料與工程系、兼波音特聘的許曉棟教授指出：

在該系統中，我們基本上可使用光子來控制被困在半導體材料中的電荷的’基態’特性—— 比如磁性。

此外得益於如此精細度的水平控制與電子自旋對齊，該平台還有望在量子模擬領域發揮作用。

壓電響應力顯微鏡拍攝的二硒化鎢堆疊層的頂視圖（來自：Nature）

作為該校清潔能源研究所與分子研究所的研究員，許曉棟補充道：“這是為量子計算和其它應用開發某些類型的’量子比特’而必要的控制水平”。

香港大學物理學教授Wang Yao（論文資深合著者）、威斯康星大學物理材料科學與工程教授Di Xiao（身兼PNNL 職務）、以及該校分子工程材料中心主任兼化學教授Daniel Gamelin 也參與了這項研究，其團隊致力於為研究結果提供理論支撐。

研究配圖- 1：WS₂ / WSe₂ 異質雙層的莫爾填充依賴

研究團隊選用了超薄的二硒化鎢/ 二硫化鎢薄片，每層厚度僅相當於三個原子。電子以介於全導電金屬和絕緣體之間的速度穿過實驗材料，並在光子學和太陽能電池中具有潛在用途。

有趣的是，研究人員將兩層疊成所謂的“莫爾超晶格”—— 這是一種由重複單元組成的堆疊結構，且超晶格能夠將激子保持在適當的位置，因而這種堆疊薄片可作為量子物理學和材料研究的強大平台。

研究配圖- 2：在v = -1/3 填充附近觀察到的光致鐵磁性

所謂“激子”特指成對受激的電子、以及與之相關的正電荷，科學家們可測量它們在不同超晶格配置中的性質與行為變化。在研究材料內激子特性時，他們驚奇地在正常非磁性材料內發現了關鍵的光誘導鐵磁性。

激光提供的光子，會在激光束路徑內“激發”激子，而這些激子在其它電子之間引發了一種長程相關性—— 都朝著同一方向自旋！

研究配圖- 3：稀空穴氣中的光致鐵磁性

許表示：這就像是超晶格中的激子開始了與空間分離電子的“對話”，然後電子通過激子建立了交互作用，從而形成了具有對其自旋特性的所謂“有序狀態”。

據悉，作為鐵等材料的固有磁性方式，我們無法在常規狀態下的二硒化鎢和二硫化鎢上看到。然而莫爾超晶格中的每個重複單元，本質上都可視作一個“捕獲”電子自旋的量子點。

研究配圖- 4：使用光激發功率和填充因子調整磁態

能夠相互“交談”的被困電子自旋，奠定了一種量子比特的基礎。作為量子計算機的基本單元，它可利用量子力學的獨特特性開展計算。

此外在2021 年11 月25 日發表於《科學》雜誌的另一篇論文中，許與合著者也介紹過由超薄的（扭曲二維）三碘化鉻形成的莫爾超晶格中的磁特性。

截圖（來自：Science）

與二硒化鎢和二硫化鎢不同的是，三碘化鉻是一種固有磁性材料（即使是單層原子片），而堆疊的碘化鉻層又形成了交替的磁疇。

其中一面具有鐵磁性（擁有相同方向的自旋排列），另一面則是反鐵磁性的（超晶格相鄰層之間指向相反、且基本互相抵消）。

截圖（來自：Nature）

最後，許曉棟表示新研究還闡明了材料結構與其磁性之間的關係，或有助於推動計算、數據存儲和其它領域的未來發展。

有關這項研究的詳情，已經發表在2022 年4 月20 日出版的《自然》期刊上，原標題為《Light-induced ferromagnetism in moiré superlattices》。