北京大学物理学院、纳光电子前沿科学中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室刘文静-龚旗煌课题组、叶堉课题组与华南师范大学半导体科学与技术学院的陈祖信副研究员合作，实现了磁性半导体CrSBr中光与激子的超强耦合，为光量子器件的研发提供了全新的光-电-磁多物理场耦合的量子平台。相关成果以《磁修饰的超强耦合CrSBr激子极化激元》（Magnetically-dressed CrSBr exciton-polaritons in ultrastrong coupling regime）为题，于2023年9月25日在线发表于《自然通讯》（Nature Communications）。

光与固态系统的强耦合是光与物质相互作用领域研究的重点。强耦合是指光子与物质激发间通过能量相干交换，形成半光-半物质极化激元准粒子。光-物质强耦合使得信息可以在光与物质之间相干传输、存储和处理，对于发展光量子器件、构建光量子信息网络至关重要。在过去的研究中，人们广泛报道了光子与激子、声子、磁子等单一准粒子的耦合现象。光子、激子与磁序等的多场耦合有望实现丰富的多体现象、跨波段的非线性效应等。然而，由于缺乏同时具备强激子共振和磁序的材料体系，这样的多物理场强耦合现象一直难以实现。

最近，合作团队在范德华反铁磁半导体CrSBr材料中取得了突破性进展，通过将其与光学微腔强耦合构建了磁修饰激子极化激元。CrSBr是层间A-type反铁磁序与半导体激子耦合的独特材料体系，一经发现就获得了广泛的研究关注。合作团队通过光场结构设计，制备了与CrSBr有效耦合的布拉格反射镜微腔，兼具了小光学模式体积和高微腔品质因子。角分辨光谱证实耦合体系的光与激子耦合强度高至169毫电子伏，达到了超强耦合区间，且在室温下依然保持稳定。类似微腔结构中的光-激子耦合强度大多在几到几十毫电子伏，这项工作中报道的高耦合强度在固态半导体中非常罕见。

左图：CrSBr与光学微腔耦合结构。右图：激子极化激元能级的磁场调控

合作团队深入研究了该激子极化激元体系的磁调控特性。温度依赖光谱测量发现，在跨越CrSBr的奈尔温度、磁序从反铁磁向顺磁转变时，极化激元光谱移动趋势显著改变，反映了其磁序与激子态的耦合。研究人员进一步施加了垂直于样品平面的磁场，通过改变层间自旋排布调制激子层间相互作用，进而实现了对激子极化激元能量的高效调控。研究证实，磁场调控过程中，光子与激子的超强耦合强度几乎保持不变，充分展示了耦合体系的高鲁棒性。研究结果提出了一种由稳健的光-电-磁多场强耦合的混合量子平台，在光场调控、量子互联和换能器技术等应用领域带来了新的研究前景。

论文的共同第一作者为北京大学物理学院2018级博士王婷婷、2023级博士生张鼎扬和北京大学“博雅”博士后杨诗祺，共同通讯作者为北京大学刘文静研究员、叶堉研究员和华南师范大学的陈祖信副研究员。论文主要合作者还包括北京大学物理学院杨金波教授。

上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金等支持。

图为论文作者在测量实验数据

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41688-7

报道来源：https://mp.weixin.qq.com/s/aSzVQRsMnIPSZqjN4CjNWw