二維磁性材料自2017年被發現以來，已成為物理學及相關領域的研究熱點之一。單層二維磁性材料因具有原子級厚度，為研究極限厚度下光與物質相互作用和相關磁光電現象提供了平台；另外，二維磁性材料因具有層狀結構，可與其他材料形成範德華接觸，為構建種類豐富的高性能磁光電器件提供了可能，在下一代信息技術領域具有廣闊的發展前景。

二維磁性半導體碘化鉻（CrI₃）具有獨特而有趣的物理性質，例如：單層表現為鐵磁性，而多層表現為反鐵磁性，且易磁化軸垂直于層面，因此可以通過控制CrI₃的層數實現不同功能的磁光電器件。

最近，beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室戴倫教授課題組與中國人民大學季威教授等合作，制備了基于石墨烯-CrI₃-石墨烯範德華異質結構的旋光性探測器（圖1），并在不同的磁場和溫度下，分别研究了單層和多層CrI₃器件在不同手性（左旋或右旋）圓偏振光照下的光電流性質。在不同的CrI₃磁化狀态下，該探測器在左/右旋圓偏振光照下的光響應行為明顯不同；反射磁圓二色性（reflective magnetic circular dichroism, RMCD）譜測量結果表明，磁化後的CrI₃對左旋、右旋圓偏振光的吸收率有明顯差異。因此，在磁場調控下，随着CrI₃磁化狀态的改變，器件對兩種手性圓偏振光的光響應偏振度（由兩種手性光照下不同的光響應度決定）也發生相應改變（圖2）。此外，在較高偏壓下，單層和多層器件都出現了奇異的負光電流現象。研究團隊詳細研究了器件在光照下的隧穿電流性質，對該現象提出一種可能的解釋。該研究揭示了CrI₃磁性及其光電性質間的相互作用，為開發新型自旋光電器件提供了途徑。

圖1  基于石墨烯-CrI₃-石墨烯範德華異質結構的旋光性探測器

a.旋光性探測器結構示意圖；b. 單層CrI₃旋光性探測器光學照片；c. 不同磁化狀态的單層CrI₃在左旋、右旋圓偏振光照下的光電流之差，其中紅色和藍色分别表示向上和向下磁化的CrI₃

圖2  器件對兩種手性圓偏振光的光響應偏振度随着CrI₃磁化狀态改變而發生變化

a.單層CrI₃旋光性探測器的光響應偏振度随磁場的變化（内插圖為單層CrI₃的RMCD譜，表明其具有鐵磁性）；b.多層CrI₃旋光性探測器的光響應偏振度随磁場的變化（内插圖為多層CrI₃的RMCD譜，表明其具有反鐵磁性）

2021年11月25日，相關研究成果以“基于二維磁性半導體碘化鉻的旋光性探測器”（Light helicity detector based on 2D magnetic semiconductor CrI₃）為題，在線發表于《自然·通訊》（Nature Communications）；beat3652018級博士研究生成星為第一作者，戴倫為通訊作者。

上述研究工作得到國家自然科學基金，及量子物質材料協同創新中心、beat365長三角光電科學研究院等支持。

論文原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27218-3