硫化溴化铬的磁序可以像开关一样通过改变温度来打开或关闭。新的实验可能会改变未来电子和信息技术的游戏规则。

硫化溴化铬（CrSBr）对科学家来说是一种有趣的材料，因为它可以以其他物质无法比拟的方式处理量子信息。它可能是唯一已知的能够利用光、电荷、类声振动和磁性来编码信息的材料。但事实并非如此，一项新的研究揭示了这种神奇材料的另一个令人兴奋的超能力。

科学家们发现，CrSBr奇特的磁性使其能够有效地捕获和控制激子。当电子从半导体中的“基能”状态移动到更高的能量状态时，就会形成一个“激子”，留下一个“空穴”。电子和空穴成对在一起，这种集体状态就是激子，”研究作者指出。

研究表明，硫化溴化铬的磁性顺序可以像开关一样通过改变温度来打开或关闭。磁性的这种变化影响了材料内部激子的行为。

“磁序是塑造激子及其相互作用的新调节旋钮。这项研究的作者之一、德国雷根斯堡大学的物理学教授鲁珀特·胡贝尔说：“这可能会改变未来电子和信息技术的游戏规则。”

前所未有地控制激子

激子非常重要，因为它们帮助我们理解光和能量是如何在材料中移动的，特别是在太阳能电池、LED和量子计算机等技术中。研究作者进行了一项有趣的实验，以检查他们在CrSBr内的行为。

他们使用持续时间仅为20千万亿分之一秒（20 x 10^-15秒）的超短激光脉冲在CrSBr内部产生激子。然后，他们使用第二束激光将激子轻轻推入稍高的能态。

他们的发现令人惊讶：激子不是只有一个能级，而是分裂成两个不同的能级 —— 这种现象被称为精细结构。还观察到激子在材料中运动的方向不同，其表现也不同。

例如，在非常冷的温度下（低于-222°F或132开尔文），CrSBr具有磁性。所以，在每一层内部，电子的微小磁场排列起来，但从一层到下一层方向相反。这被称为反铁磁态。在这里，激子被发现被困在一个单层中，只向一个方向运动。

然而，在较高的温度下（高于132开尔文），CrSBr失去磁性，热量使电子自旋指向随机方向。在这种情况下，激子不再受限制。它们在多个层上展开，并向各个方向自由移动，表现出三维的行为。

这种根据温度（或磁场）捕获或释放激子的能力就像拨动磁开关一样。它揭示了一种控制量子设备中信息流的强大方法。

“由于电子、光子和自旋自由度紧密交织在一起，在磁化和非磁化状态之间切换可以作为一种极快的方式来转换光子和基于自旋的量子信息，”研究小组成员Matthias Florian指出。

下一步是信息转换

该研究的作者现在的目标是探索激子是否可以作为在不同物理系统之间传递量子信息的桥梁。例如，由激子携带的信息能否传递给电子的自旋？

这一点很重要，因为如果科学家能够在光子、激子和电子自旋之间顺利地转换量子信息，将使量子系统更加通用，并为构建更先进的技术开辟新的可能性。

该研究的作者之一麦基洛·基拉（Mackillo Kira）说：“长远的愿景是，你有可能建造量子机器或设备，利用这三种甚至全部四种特性：光子传输信息，电子通过它们的相互作用处理信息，磁性存储信息，声子调制和转换信息到新的频率。”

这项研究发表在《自然材料》杂志上。

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