2026年10月08日——量子技术被视为未来的关键技术。然而，这一领域的研究不仅需要科学专业知识，有时还需要高度专门化的实验室条件。玻色–爱因斯坦凝聚态就是一个典型例子：其中的原子同步运动，使量子力学效应不仅在单个原子层面显现，也能在宏观尺度上呈现。最早的玻色–爱因斯坦凝聚态是在温度接近绝对零度的超冷原子气体中观测到的。实现这一状态所需的冷却过程技术要求高、成本高昂，而且只能在专门的实验室中完成。

如今，量子研究越来越关注固态材料中的玻色–爱因斯坦凝聚态，这种凝聚态也能在较为温和的温度条件下存在。研究通常利用半导体中称为激子的电子–空穴对来实现这一目标，并可通过激光脉冲选择性地产生激子。不过，形象地说，激子过于迟缓，难以同步运动，因此需要将其与光学谐振腔中的光场耦合，以降低其有效质量。由此形成的物质与光的混合态被称为激子–极化激元。它们兼具两者的优势：既能通过激光脉冲控制，又因质量显著减小而更容易进入集体量子态。 

激子–极化激元凝聚态：量子技术的潜力平台

因此，激子–极化激元凝聚态是一种能够发光的宏观量子态，其形成所需的外部冷却显著减少，在某些情况下甚至完全不需要外部冷却。因此，这类凝聚态被视为未来量子通信、量子光学和量子计算应用的潜力平台。然而，一个关键挑战是控制凝聚态的性质，进而控制其发出的光——如今，这一挑战已被克服：

由雷根斯堡大学的 Rupert Huber 教授、Fabian Mooshammer 博士和 Jan Wilhelm 博士，慕尼黑工业大学的 Florian Dirnberger 博士，以及布拉格化学技术大学的 Zdeněk Sofer 教授领导的国际研究团队表明，可以通过材料的磁性来控制激子–极化激元凝聚态。团队没有使用传统的半导体材料，而是采用了一种新型层状磁性半导体：溴硫化铬（CrSBr）。这种晶体由许多原子级薄层组成，相邻层的磁化方向交替变化。这些磁性的起源是所谓的自旋，即电子的一种内禀量子力学角动量。自旋与磁偶极矩相关联，可以将其想象成一根微小的指南针指针，其朝向指示磁化方向。在 CrSBr 中，这些微小的“指南针指针”在每个原子层内朝向一致，而在相邻层中则指向相反方向。控制这种独特的磁有序结构，为选择性地改变激子–极化激元凝聚态的性质开辟了新的可能。

证实溴硫化铬中的激子–极化激元凝聚

不过，研究人员首先必须证实，所研究的结构中确实会发生激子–极化激元凝聚。为此，他们利用超短激光脉冲在 CrSBr 结构中激发激子–极化激元。随着这些粒子的密度逐渐增加，它们最终会靠得足够近，从而与相邻粒子同步振荡。第一作者 Heng Zhang 博士解释道：“一旦达到凝聚阈值，发射光的强度就会突然增加到原来的百倍以上。与此同时，光波变得有序，从某种意义上说，彼此同步振荡。这种所谓的相干性为凝聚提供了明确证据。”

外部磁场打破激子的磁性牢笼

接下来关键的一步，是确定能否通过外部磁场对凝聚态进行选择性控制。结果令人瞩目：随着施加的磁场增强，凝聚态发出的光的能量发生了偏移。这源于 CrSBr 中不同寻常的磁有序结构。最初，晶体相邻层中的电子自旋朝向相反。这为激子形成了一种磁性牢笼，将它们限制在各自所在的层内。外部磁场可以使自旋朝向一致，从而打破这一磁性牢笼。由此，激子–极化激元的能量等性质便可得到选择性调节。这种基于材料磁有序结构的新型控制机制效率很高。该研究的共同第一作者之一 Christian Weidgans 解释道：“此前的方法包括施加电压等手段，而在 CrSBr 中，即使是中等强度的磁场，也能使发射光的能量偏移幅度达到以往方法的十倍。通过这种方式，可以直接利用材料的磁性来控制量子态。”

磁控激子–极化激元凝聚为未来量子技术奠定基础

这些研究结果在空间扩展的量子态与材料的磁有序结构之间建立了新的联系。共同第一作者 Niloufar Nilforoushan 博士解释道：“未来，该平台可用于将凝聚态发出的光与磁态直接耦合，并在极短的时间尺度上对光进行操控。”在这一过程中，可以利用微波辐射选择性地影响材料的磁有序结构。这为将该平台集成到磁存储器件中，以及将微波辐射高效转换为光信号，提供了广阔前景。因此，磁控激子–极化激元凝聚在量子光学与自旋电子学的交叉领域开辟了全新的可能，并为未来量子技术奠定了基础。