许晓栋等人，Nature Nanotechnology！
米测MeLab
2025-03-24
研究背景
磁子学是研究自旋波和集体激发在信息处理中的应用的一个新兴领域，尤其在量子信息处理和非线性光学方面表现出广泛的前景。磁子与不同激发态的高效耦合，如超导量子比特、微波光子和声子，使得磁子成为理想的量子转换器。特别是在二维半导体磁体中，磁子与激子的耦合为探索新的量子信息处理技术提供了独特的机会。与传统材料相比，这些新型材料在光电转换、非线性效应以及信息处理能力上展现了诸多优点。然而，如何有效控制这些材料的非线性响应，尤其是在极端非线性条件下，还面临着许多技术挑战。在此，华盛顿大学许晓栋教授、肖迪教授联合特拉华大学任亚飞助理教合作在“Nature Nanotechnology”期刊上发表了题为“Exciton dressing by extreme nonlinear magnons in a layered semiconductor”的最新论文。研究团队通过对CrSBr的非线性磁子学研究，首次观察到激子态被多达20次的磁子谐波修饰，展示了极端非线性效应的潜力。该团队通过利用非线性光磁子耦合，成功地实现了和频生成、差频生成等多种频率混合过程，这为磁子与光子之间的相互作用提供了新的技术路径。 在应用对称性破缺的磁场条件下，团队还成功实现了对不同频率模式的调控，使得磁子模式能够在参量放大的机制下得到增强。通过这些研究，团队展示了如何利用非线性磁子学调制光学频率激子，并为超快信息处理和量子计算提供了新思路。这一成果不仅在磁子学和量子系统领域具有重要应用前景，也为未来的光磁子神经形态计算设备提供了技术支持。
研究亮点
（1）实验首次观察到在CrSBr中，激子态由多达20次磁子谐波修饰，展现出极端非线性效应。这一发现突破了传统的光磁子耦合方法，开辟了新的研究方向。（2）实验通过在层状反铁磁半导体CrSBr中，利用对称性破缺的磁场下的和频生成与差频生成，成功创建了可调节的光学边带。该过程不仅能调节磁子模式，还可实现光磁子耦合的高效控制。（3）实验通过差频生成模式与基本磁子的共振调谐，成功实现了磁子的参量放大。这一结果为磁子调控提供了更高效的方式，能够显著提升磁性材料在信息处理中的性能。
图文解读
图1:在层状半导体CrSBr中，激子和非线性磁振子的耦合。图3:在CrSBr中，可调谐DFG和参量磁振子放大。
4:磁振子高次谐波
总结展望
非线性磁子学有潜力成为信息系统的重要组成部分，较电子电路系统更小、更节能且更具鲁棒性。研究者已证明CrSBr是一个优秀的候选材料，因为它在微波范围内表现出强烈的非线性磁子响应，适合电子测量。通过独特的光学方式访问磁子的谐波阶数，可以在更广泛的范围内实现磁子共振，进一步扩展了CrSBr作为量子转导器的潜力。此外，和频（SFG）和差频（DFG）磁子为生成纠缠磁子和对弱磁子信号的参量放大提供了途径，这一过程的可调性前所未有，可以通过施加磁场的角度进行调节。最后，极端非线性磁子学过程所观察到的调制激子态为光磁子物理提供了新的访问方式，可能为磁子控制激子响应或反向控制提供新的可能性。结合理想的能量范围和光学耦合，本文展示的非线性响应进一步巩固了CrSBr作为实现混合磁子信息处理的有前景候选材料。Diederich, G.M., Nguyen, M., Cenker, J. et al. Exciton dressing by extreme nonlinear magnons in a layered semiconductor. Nat. Nanotechnol. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-01890-8
