磁性技術突破：量子科技的3D材料新曙光

量子科技一直面臨著一個重大挑戰：其獨特的量子特性僅能在極小的尺度下展現，而在較大的結構中往往消失殆盡。這使得量子技術的先進感測與通訊能力難以應用於光學裝置和量子計算等實際系統中。然而，來自賓州州立大學和哥倫比亞大學的物理學家團隊最近開發了一種突破性的方法，能夠在三維（3D）材料中維持這些量子效應。這項研究成果已於2月19日發表在《自然材料》期刊上。

該研究團隊聚焦於一種名為「激子」（exciton）的準粒子，這種粒子能夠攜帶能量且不帶電荷。激子通常在塊狀材料中不穩定，但透過利用硫化溴化鉻（CrSBr）的磁性特性，研究人員成功將其限制在特定層面中。賓州州立大學物理學助理教授、該研究的第一作者邵寅明表示：「雖然二維（2D）材料展現了廣泛的功能和革命性的潛力，但要將其優越特性維持在2D以上的尺度仍是一個巨大的挑戰。」

激子在半導體材料中具有獨特的光學特性，當光照射到半導體時，會激發電子躍遷到更高的能階，形成激子。然而，在像矽這樣的典型3D半導體中，激子的結合能通常較低，這意味著它們不夠穩定且難以觀察。邵寅明解釋道：「激子只有在2D單層材料中才能表現出最穩定的狀態和優越的特性。」

為了在足夠大的材料中保留這些特性，研究人員轉向了物理學的另一個面向：磁性。他們特別關注硫化溴化鉻，這是一種層狀磁性半導體，由哥倫比亞大學化學教授Xavier Roy自2020年以來深入研究並進一步開發。當CrSBr冷卻至約-223華氏度時，它會進入反鐵磁狀態，這使得激子能夠被限制在特定層面中，而不會跳躍到相鄰的層面。

研究團隊利用光譜學技術、理論建模和計算，確認了這種磁性限制無論在系統中有多少層，或是在哪一層中都能有效運作。邵寅明表示：「我們做了大量工作來驗證這一點，結果確實如此。」此外，德國德累斯頓工業大學的研究團隊也獨立得出了相同的結論，兩組研究人員決定合作撰寫這篇聯合論文。

這項發現結合了磁性、範德瓦爾斯相互作用和激子的行為，為量子限制技術提供了新的可能性，並有望推動光學系統和量子技術的發展。邵寅明強調：「這些不同物理面向的結合是這項發現的關鍵。」

這項研究得到了美國能源部、歐洲研究委員會、美國國家科學基金會等多個機構的支援，並為未來量子科技的應用開闢了新的道路。