2026年9月17日——纽约市立大学城市学院（CCNY）的物理学家展示了一种新方法，可利用层状半导体内部的磁波将微波信号转换到光上。这项工作建立了一个材料平台，用于构建有朝一日可通过光网络连接量子计算机的接口。这项题为“Microwave-to-optical transduction using magnon–exciton coupling”的研究由 CCNY 的 Laboratory for Nano and Micro Photonics (LaNMP) 领导，该实验室由物理学教授 Vinod M. Menon 负责。研究发表在《自然·材料》期刊上。

当今许多领先的量子处理器使用微波信号运行，而光则更适合通过光纤进行远距离信息传输。将两者连接起来需要一个换能器：一种在保留所携带信息的同时，将信号从一个频率范围转换到另一个频率范围的设备。

研究团队转向了溴硫化铬（CrSBr），一种层状磁性半导体。当受到微波驱动时，晶体中的原子磁矩会集体运动，产生被称为磁子的波。这些波会改变激子的能量；激子是电子和空穴的束缚对，与光有强烈的相互作用。结果，从晶体反射的激光会获得一个相干光信号，该信号跟随微波驱动。该方法利用了激子共振附近光与物质之间格外强的相互作用。

这种转换在约300兆赫兹的微波频率窗口内有效，其工作频率可通过施加磁场进行调谐。值得注意的是，研究人员在块体晶体中观察到了该效应，且没有任何光学或微波谐振器来增强这种相互作用。

频率转换在现代电信中很常见。转换量子信号的要求则高得多：一个有用的量子接口必须以高效率运行，同时几乎不引入噪声。多个领域的研究人员正在探索不同的物理机制和材料平台，以满足这些要求。

“CrSBr 的一个特别优势是其层状结构，这为我们在器件设计和集成方面提供了相当大的自由度，” Menon 团队中领导这项研究的博士后研究员 Pratap Chandra Adak 说。“这些材料可以被减薄到仅几层，同时保留其关键的磁性和光学性质。这为增强相互作用和构建更紧凑的器件开辟了机会。”

当前的实验确立了微波到光的转换机制。更长期的目标——转移单个量子态——将需要在效率上大幅提升，并仔细控制附加噪声。论文指出了几条通往更强相互作用和更高效率的途径，包括更薄的磁性薄片、微波谐振器和高品质光学腔。另一个有前景的方向是工程化激子–极化激元，即光与物质的混合态，以调控光学损耗。

“令我兴奋的是，在这些结果基础上继续推进的潜力，” Menon 说。“CrSBr 将强光学相互作用与微波频率磁性结合在同一晶体中。随着层状磁性材料家族不断扩大，我们有更多机会发现有用的性质组合，并设计新型光磁子器件。”