研究背景
磁子學是研究自旋波和集體激發在信息處理中的應用的一個新興領域，尤其在量子信息處理和非線性光學方面表現出廣泛的前景。磁子與不同激發態的高效耦合，如超導量子比特、微波光子和聲子，使得磁子成為理想的量子轉換器。特別是在二維半導體磁體中，磁子與激子的耦合為探索新的量子信息處理技術提供了獨特的機會。與傳統材料相比，這些新型材料在光電轉換、非線性效應以及信息處理能力上展現了諸多優點。然而，如何有效控制這些材料的非線性響應，尤其是在極端非線性條件下，還面臨著許多技術挑戰。在此，華盛頓大學許曉棟教授、肖迪教授聯合特拉華大學任亞飛助理教合作在“Nature Nanotechnology”期刊上發表了題為“Exciton dressing by extreme nonlinear magnons in a layered semiconductor”的最新論文。研究團隊通過對CrSBr的非線性磁子學研究，首次觀察到激子態被多達20次的磁子諧波修飾，展示了極端非線性效應的潛力。該團隊通過利用非線性光磁子耦合，成功地實現了和頻生成、差頻生成等多種頻率混合過程，這為磁子與光子之間的相互作用提供了新的技術路徑。 在應用對稱性破缺的磁場條件下，團隊還成功實現了對不同頻率模式的調控，使得磁子模式能夠在參量放大的機制下得到增強。通過這些研究，團隊展示了如何利用非線性磁子學調制光學頻率激子，并為超快信息處理和量子計算提供了新思路。這一成果不僅在磁子學和量子系統領域具有重要應用前景，也為未來的光磁子神經形態計算設備提供了技術支持。
研究亮點
（1）實驗首次觀察到在CrSBr中，激子態由多達20次磁子諧波修飾，展現出極端非線性效應。這一發現突破了傳統的光磁子耦合方法，開辟了新的研究方向。（2）實驗通過在層狀反鐵磁半導體CrSBr中，利用對稱性破缺的磁場下的和頻生成與差頻生成，成功創建了可調節的光學邊帶。該過程不僅能調節磁子模式，還可實現光磁子耦合的高效控制。（3）實驗通過差頻生成模式與基本磁子的共振調諧，成功實現了磁子的參量放大。這一結果為磁子調控提供了更高效的方式，能夠顯著提升磁性材料在信息處理中的性能。
圖文解讀
圖1:在層狀半導體CrSBr中，激子和非線性磁振子的耦合。圖3:在CrSBr中，可調諧DFG和參量磁振子放大。
4:磁振子高次諧波
總結展望
非線性磁子學有潛力成為信息系統的重要組成部分，較電子電路系統更小、更節能且更具魯棒性。研究者已證明CrSBr是一個優秀的候選材料，因為它在微波范圍內表現出強烈的非線性磁子響應，適合電子測量。通過獨特的光學方式訪問磁子的諧波階數，可以在更廣泛的范圍內實現磁子共振，進一步擴展了CrSBr作為量子轉導器的潛力。此外，和頻（SFG）和差頻（DFG）磁子為生成糾纏磁子和對弱磁子信號的參量放大提供了途徑，這一過程的可調性前所未有，可以通過施加磁場的角度進行調節。最后，極端非線性磁子學過程所觀察到的調制激子態為光磁子物理提供了新的訪問方式，可能為磁子控制激子響應或反向控制提供新的可能性。結合理想的能量范圍和光學耦合，本文展示的非線性響應進一步鞏固了CrSBr作為實現混合磁子信息處理的有前景候選材料。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
