2026年7月13日 —— 纽约市立学院物理学家维诺德·M·梅农（Vinod M. Menon）纳米与微光子学实验室（LaNMP）的研究人员，概述了量子材料领域一个新兴的前沿方向：光、磁性与电荷在其中紧密交织的原子级薄层系统。这个快速发展的领域有望利用光、电荷与自旋的耦合动力学，催生下一代光电子和量子技术。

一篇发表在《自然·材料》（Nature Materials）上的综述文章，题为《范德华磁性材料中的激子》（Excitons in van der Waals magnetic materials），梳理了CCNY团队在层状磁性半导体领域的最新进展。在这些材料中，由光产生的电子激发（即激子）与磁有序及自旋波（即磁振子）相互作用。当光激发材料内部的电子并留下一个带正电的“空穴”时，就会形成激子。电子和空穴作为一个中性但具有光学活性的粒子结合在一起。相比之下，磁振子是材料磁有序中的集体涟漪。

长期以来，研究人员一直试图将富含激子的半导体光学特性与磁性结合起来，例如通过向半导体中添加磁性原子，或将原子级薄半导体置于磁性材料上。范德华磁性半导体提供了一种更本征的途径：激子和磁矩可以源自晶体内部的相同电子轨道，从而使光和磁性直接相互作用。

“在这些材料中，光和磁性不再作为独立的通道运行，”梅农研究小组的博士后研究员、该综述的第一作者普拉塔普·钱德拉·阿达克（Pratap Chandra Adak）表示，“激子并非仅仅是一种被动地存在于磁性之上的光驱动激发。它可以感知自旋有序和磁振子，并且在合适的条件下，甚至有助于控制磁态本身。”

该综述讨论了具有代表性的材料平台，包括三碘化铬、三硫化磷镍和硫溴化铬。它重点介绍了出现在二维磁体中的几种现象。激子可以显著增强磁光效应，从而通过光偏振的变化来读取磁态。磁有序可以调节激子能量和空间局域性，而激子-磁振子耦合则可将光信号与吉赫兹（GHz）频率的磁动力学联系起来。该文章还调查了激子极化激元——一种可以在材料中传递光学信息的混合光-物质粒子。

“在过去几年里，这个领域已经从在原子级薄晶体中探测磁性，发展到积极探索磁序如何控制光-物质相互作用，”梅农教授（纽约市立学院物理学教授、该综述的资深作者）表示，“这篇文章的目标是将这些进展整合到一个连贯的框架中，并确定该领域未来的发展方向。”

该综述还构想了需要在小尺度上精确控制光和磁性的技术的可能未来方向，包括磁光子存储与读取、全光逻辑、可调谐发光器件、磁光激光器、极化激元器件，以及量子换能器——一种在微波和光频之间转换信号、用于未来量子网络的器件。

目前仍存在一些开放的挑战。许多候选材料仅被部分探索，研究人员需要更具预测性的理论工具来描述激子、自旋、晶格振动和光子如何同时相互作用。有前景的方向包括莫尔磁性激子、自旋织构的光学控制、磁光子器件、磁性激子极化激元凝聚以及微波到光学的量子转换。

其他合著者包括：慕尼黑工业大学的弗洛里安·迪恩伯格（Florian Dirnberger）；落基山国家实验室的斯瓦加塔·阿查里亚（Swagata Acharya）；凯泽斯劳滕-兰道莱茵兰-普法尔茨工业大学的阿卡什迪普·卡姆拉（Akashdeep Kamra）；以及华盛顿大学的徐晓东（Xiaodong Xu）。

CCNY的这项工作得到了DARPA以及戈登和贝蒂·摩尔基金会的支持。