纳米技术领域的一个主要研究挑战是找到控制光的有效方法，这是高分辨率成像、生物传感器和手机必不可少的能力。因为光是一种本身不带电荷的电磁波，所以很难用电压或外部磁场来操纵。为了解决这一挑战，工程师们找到了间接的方法来利用光反射材料的特性来操纵光。然而，挑战在纳米尺度上变得更加困难，因为材料在原子薄状态下表现不同。
电气与系统工程助理教授DeepJariwala及其同事在反铁磁材料中发现了一种磁性，可以在纳米尺度上操纵光，同时将半导体材料与磁性联系起来，这是科学家们一直试图弥合的差距几十年。他们在最近发表在NaturePhotonics上的一项研究中描述了他们的发现。
研究人员与宾夕法尼亚大学文理学院物理与天文学系助理教授梁武、Jariwala实验室的博士生张慧琴和吴实验室的博士生倪卓亮合作，描述了FePS3是一种反铁磁半导体材料的磁性。俄亥俄州空军研究实验室和KBR,Inc.的ChristopherStevens和JoshuaHendrickson以及俄亥俄州肯扬学院的AofengBai和FrankPeiris也为这项工作做出了贡献。
“我们实验室的研究重点是为电子、计算机、信息存储以及能量收集和转换寻找新材料，”Jariwala说。“我们检查的材料类别是原子薄的二维范德华材料，更具体地说，是半导体材料。”
磁性材料分为铁磁体或反铁磁体。反铁磁体是包含沿一个方向旋转的电子线与沿相反方向旋转的电子线相邻的材料，抵消了磁体典型的任何吸引力或排斥力，而铁磁体是具有所有电子都沿相同方向旋转并产生自己的电子的材料磁场。
本研究中使用的反铁磁材料FePS3或三硫化铁磷是一种具有独特光学特性的半导体，其光学特性取决于其电子自旋方向的排列。
“理论上，通过对这种反铁磁二维半导体施加外部磁场，我们可以改变其光学特性，”Jariwala说。“这就是你如何使用磁性来操纵光。在磁性和光操纵之间建立联系之后，我们正在进入‘磁光子学’领域，我相信这个研究领域将在未来五到十年内大大扩展年。”
该论文不仅描述了使用材料的磁性来控制光，还强调了所涉及的材料还具有物理特性。
“我们还发现，对于特定的厚度，这种反铁磁材料充当了一个空腔，显着增强了它与光的相互作用以及它与磁性的变化，”Jariwala说。“在尝试开发一种有效的光控制技术时，这一点很重要。”
“把材料的空腔想象成两个平行镜子之间的空间，”他说。“站在这个空间里，你会看到无数次你自己的反射，这是因为你观察到的光与镜子的介质多次相互作用。光在逸出之前与介质的相互作用越多，更强的光学效应。通过改变材料的厚度来创建一个高度交互的腔体，我们可以产生强烈的光学响应，只是现在它们还受到半导体磁性的引导。
Jariwala的工作将反铁磁纳米材料的磁性和光学特性联系起来，为高科技应用的工程光打开了大门。
光的操纵不仅对技术进步具有重要意义，而且还是用于表征材料的工具。
“这项工作还与梁领导的先前研究有关，该研究证明了二次谐波产生显微镜能够在单层水平上直接成像不同反铁磁半导体中的自旋排列，”Jariwala说。
“这种类型的显微镜是观察仅存在于某些材料中的独特光学特性的专门方法。使用这种专门的显微镜技术，我们现在可以用只有几个原子的厚度来表征材料并绘制它们的磁性。这些论文共同突出了光学特性在更好地理解材料和开发新型成像和显微技术方面的重要性。”吴说
研究人员的下一步将是通过积极地将磁场应用于反铁磁材料中选定的方向自旋，将磁光操纵理论付诸实践，测试创建磁光子电路的能力。
Jariwala说：“我们对这些观察结果感到非常兴奋，特别是因为它们位于半导体材料中，我们拥有各种其他的操作旋钮。”“此外，这类材料范围更广，有更多组合可供探索，包括寻找提高磁转变温度的方法。我们现在正在寻找和设计使用多个控制旋钮来操纵这些材料内部光线的方法，看看如何我们可以强烈地在真实设备中调整它们。”
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