商傳媒｜責任編輯／綜合外電報導

國際研究團隊近期針對原子級薄材料中的光與磁性交互作用發表最新綜述，指出層狀凡得瓦磁性半導體（van der Waals magnetic semiconductors）展現出特殊的量子特性，有望成為新一代光電元件與量子技術的重要材料。相關研究成果已發表於《Nature Materials》期刊，研究人員認為，透過深入理解光、電子與磁性之間的耦合機制，未來可望推動磁光元件、量子通訊及低功耗運算等領域的發展。

 

研究聚焦於光激發形成的「激子」（exciton）與材料內部磁性秩序及「磁振子」（magnon）之間的交互作用。激子是電子吸收光能後與電洞形成的束縛態粒子，雖不帶淨電荷，仍能與光產生強烈作用；磁振子則是磁性材料中自旋集體振動所形成的量子激發。研究指出，凡得瓦磁性半導體最大的特色，在於激子與磁矩可來自相同電子軌域，使光學訊號與磁性現象得以直接耦合，相較過去需額外摻雜磁性原子或堆疊不同材料的方法，更能有效整合光學與磁性功能。

 

首席作者普拉塔普·錢德拉·阿達克（Pratap Chandra Adak）表示，在此類材料中，光與磁性不再是彼此獨立的物理現象，激子除了能感測材料中的自旋排列與磁振子外，在特定條件下甚至可能參與調控磁性狀態。研究也指出，激子可增強磁光效應，使研究人員透過光偏振變化觀察材料磁性；反過來，磁性排列亦會影響激子的能量與侷限位置，形成雙向交互作用。此外，激子與磁振子的耦合還能將光學訊號與吉赫茲（GHz）頻率的磁性動態連結，為高速光磁控制提供新的可能。

 

共同作者、物理學家維諾德·梅農（Vinod M. Menon）指出，近年研究焦點已從觀察二維材料中的磁性，逐步轉向探索磁性如何調控光與物質的交互作用，希望建立完整理論架構，協助未來材料設計與元件開發。研究團隊認為，相關技術未來可望應用於磁光記憶體、全光邏輯運算、可調式發光元件、磁光雷射、極化子元件，以及量子換能器等新興領域。其中，量子換能器可負責微波與光訊號之間的轉換，被視為建構量子網路的重要關鍵元件。

 

研究人員也指出，目前仍有許多凡得瓦磁性半導體尚待深入探索，相關理論模型亦需持續完善，以更準確預測激子、電子自旋、晶格振動及光子之間的複雜交互作用。隨著材料研究與製程技術持續進步，這類新型量子材料有望為下一代光電科技與量子資訊系統提供更多發展契機。