beat365官方网站、納光電子前沿科學中心、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室劉文靜-龔旗煌課題組、葉堉課題組與華南師範大學的陳祖信副研究員合作，實現了磁性半導體CrSBr中光與激子的超強耦合，為光量子器件的研發提供了全新的光-電-磁多物理場耦合的量子平台。相關成果以《磁修飾的超強耦合CrSBr激子極化激元》（Magnetically-dressed CrSBr exciton-polaritons in ultrastrong coupling regime）為題，于2023年9月25日在線發表于《自然∙通訊》（Nature Communications）。

光與固态系統的強耦合是光與物質相互作用領域研究的重點。強耦合是指光子與物質激發間通過能量相幹交換，形成半光-半物質極化激元準粒子。光-物質強耦合使得信息可以在光與物質之間相幹傳輸、存儲和處理，對于發展光量子器件、構建光量子信息網絡至關重要。在過去的研究中，人們廣泛報道了光子與激子、聲子、磁子等單一準粒子的耦合現象。光子、激子與磁序等的多場耦合有望實現豐富的多體現象、跨波段的非線性效應等。然而，由于缺乏同時具備強激子共振和磁序的材料體系，這樣的多物理場強耦合現象一直難以實現。

最近，合作團隊在範德華反鐵磁半導體CrSBr材料中取得了突破性進展，通過将其與光學微腔強耦合構建了磁修飾激子極化激元。CrSBr是層間A-type反鐵磁序與半導體激子耦合的獨特材料體系，一經發現就獲得了廣泛的研究關注。合作團隊通過光場結構設計，制備了與CrSBr有效耦合的布拉格反射鏡微腔，兼具了小光學模式體積和高微腔品質因子。角分辨光譜證實耦合體系的光與激子耦合強度高至169毫電子伏，達到了超強耦合區間，且在室溫下依然保持穩定。類似微腔結構中的光-激子耦合強度大多在幾到幾十毫電子伏，這項工作中報道的高耦合強度在固态半導體中非常罕見。

左圖：CrSBr與光學微腔耦合結構；右圖：激子極化

合作團隊深入研究了該激子極化激元體系的磁調控特性。溫度依賴光譜測量發現，在跨越CrSBr的奈爾溫度、磁序從反鐵磁向順磁轉變時，極化激元光譜移動趨勢顯著改變，反映了其磁序與激子态的耦合。研究人員進一步施加了垂直于樣品平面的磁場，通過改變層間自旋排布調制激子層間相互作用，進而實現了對激子極化激元能量的高效調控。研究證實，磁場調控過程中，光子與激子的超強耦合強度幾乎保持不變，充分展示了耦合體系的高魯棒性。研究結果提出了一種由穩健的光-電-磁多場強耦合的混合量子平台，在光場調控、量子互聯和換能器技術等應用領域帶來了新的研究前景。

論文的共同第一作者為beat365官方网站2023屆博士畢業生王婷婷、2023級博士生張鼎揚和beat365“博雅”博士後楊詩祺，共同通訊作者為beat365劉文靜研究員、葉堉研究員和華南師範大學的陳祖信副研究員。論文主要合作者還包括beat365官方网站楊金波教授。

激元能級的磁場調控

上述研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金等支持。

論文原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41688-7