近日，武汉大学物理科学与技术学院于霆教授团队在国际学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上在线发表了题目为“Spin-transition modulated light-emitting devices in a 2D magnet”的研究论文。物理科学与技术学院博士秦芳璐、博士后刘海洋为该论文共同第一作者，于霆教授、刘晓泽教授及刘盛副研究员为共同通讯作者，武汉大学为第一署名单位。

光自旋电子学作为融合光子学、电子学与磁学的前沿交叉领域，正在引领下一代信息器件的变革。传统微电子器件就像我们日常使用的电灯开关，仅依靠电子“电荷”的有无来传递和存储信息，随着器件尺寸不断微缩至纳米级，电荷流动带来的发热和能耗问题愈发严峻，逐渐逼近摩尔定律的物理极限。而光自旋电子器件则解锁了电子的另一个内禀属性——“自旋”，我们可以把每个电子想象成一颗自带“小磁针”的微小粒子，自旋的不同朝向（向上或向下）就能代表二进制的0和1，不仅能将器件能耗降低数个量级，还能同时实现信息的处理、存储与光传输，有望打造出速度更快、集成度更高的新一代光电集成芯片。

近年来，二维磁性半导体凭借原子级的超薄厚度、可灵活调控的磁序和优异的光物理特性，成为光自旋电子学研究的核心材料。基于这类材料，科学家们已经成功研发出高性能的自旋探测器和非易失性存储元件，但作为该领域“承上启下”的核心元器件——自旋调制发光器件（spin-LED），却长期面临两大难以突破的瓶颈：一是二维磁体的磁序就像用积木搭成的高塔，对温度极其敏感，稍微升温就会“坍塌”失序；二是注入的电子和空穴大多以发热的形式耗散能量，只有极少部分能结合发出光子，也就是严重的非辐射复合问题，导致器件始终无法实现有效的电致发光。

基于此，研究团队成功突破瓶颈，创新性地采用量子阱结构设计——就像制作一个“纳米级三明治”，将双层CrSBr二维磁性半导体夹在中间，把电子和空穴牢牢限制在原子级厚度的空间内，大幅提升了它们复合发光的概率，最终成功制备出集成二维磁性半导体的原型自旋调制发光器件。团队发现通过操控电子的自旋状态就能直接调控发光特性：当电子的“小磁针”发生180°翻转（自旋翻转）时，发光强度会出现显著的阶跃式突变；而当“小磁针”发生不同角度的倾斜（自旋倾斜）时，发光的能量和强度还能实现连续线性可调。

与传统通过发射光的圆偏振度来编码自旋信息的发光器件不同，该团队设计的原型器件另辟蹊径，利用自旋结构相变将磁序状态直接“写入”发光的能量、强度和磁滞记忆中。这就好比给发光器件装上了“磁性记忆开关”，不仅能通过磁信号精准控制光的输出，还能“记住”之前的磁状态，实现非易失性的光信息存储。同时，得益于CrSBr材料本身极强的各向异性，输出的光束始终保持着稳定的线偏振特性，无需额外的偏振片就能直接应用于光通信等领域。研究进一步表明，CrSBr中独特的层间磁耦合可以通过注入载流子的多少来灵活调节，这使得电致发光能够主动放大磁滞效应，并通过自旋倾斜实现磁序的连续调控，从而首次在原子级尺度上建立了载流子注入、磁相变与光发射三者之间的直接联系。

该研究利用二维自旋相变和强激子效应展示了自旋调制发光器件的原型，将基础磁性表征与实际的光自旋电子器件研发紧密连接在一起，为推动集成化二维光自旋电子学的发展迈出了关键一步。

课题组为有志探索二维光自旋电子学与磁性半导体前沿的学子提供开放的科研平台。具备《固体物理》、《量子力学》和《光学》基础，了解《半导体物理》相关知识的学生即可加入开展科研训练。在这里，你将系统学习二维磁性材料的机械剥离、定点转移与范德华异质结制备技术，掌握标准微纳加工工艺完成光电器件的制备；同时能熟练运用光致发光（PL）、电致发光（EL）光谱、磁光克尔效应（MOKE）等多种先进表征手段探究材料的光电与磁学特性。此外，课题组还将提供运用Origin 和AI Illustrator 进行前沿数据分析与科研绘图的全方位指导，帮助你快速掌握科研必备技能，培养独立开展科学研究的能力。

该项目得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、武汉大学启动基金、中央高校基本科研业务费专项资金等项目的资助支持。