溴化铬硫（CrSBr）中的双曲区域：a) 散射型扫描近场光学显微镜的金属化攻丝尖端，被动量为k0的自由空间光照射。该尖端激活了与CrSBr中激子耦合的波导模式。b) 介电函数表明，在橙色波段（双曲区域），它们沿a轴和b轴具有相反的符号。

将电子空穴对（称为激子）沿所需方向移动的能力对于发电和制造燃料至关重要。这在光合作用中自然发生，这为研究人员创新光电器件提供了灵感来源。

光和激子之间的强耦合产生了称为极化子的玻色子准粒子，它表现出对设备性能产生积极影响的独特特性。

研究人员在范德华磁体溴化硫化铬 (CrSBr) 中观察到了稳态双曲激子极化子 (HEP)——一种具有吸引特性的奇异激子极化子。

他们在《自然通讯》杂志上发表的题为《范德华磁体中的双曲激子极化子》的研究中详细阐述了他们的观察结果。美国国家可再生能源实验室（NREL）的研究人员设计了理论框架来解释哥伦比亚大学进行的实验。伦敦国王学院、华盛顿大学、Flatiron研究所和拉德堡德大学的研究人员也参与了此次合作。

NREL 的 Mark van Schilfgaarde 是这项研究的首席理论家和合著者，他表示：“当受限光与物质之间的耦合变强时，就会产生极化子。通常情况下，光与物质的相互作用很弱，光仅仅会扰动物质并改变其量子态。当相互作用很强时，光和物质就会纠缠在一起，形成一个包含两者的新状态?！?/span>

这些状态——极化子——早已被建立，但这项研究的创新之处在于在双曲系统中观察到了极化子。人们曾预测过一种被称为双曲激子极化子（HEP）的奇异新模式，而这项研究展示了它们的实验实现。

致力于提高能源效率的研究人员和开发人员对光电和光伏器件（例如发光二极管、太阳能电池、X射线探测器和其他传感器）的创新和优化非常感兴趣。以物质和光之间的转换为核心的设备性能更佳，可以更高效地利用可用能源，并提高灵敏度。

范希尔夫加德说：“我们的研究展示了操纵激子和光的有希望的新途径，这可以改善光电器件的运行，包括磁性、非局部和量子极化子途径?！?/span>

实现双曲激子极化子成像

研究人员利用半导体独特的几何结构，最终实现了高能粒子成像，而这在技术上一直难以实现。半导体中的微腔（确保耦合的反射镜）能够有效地捕获和稳定光，从而实现激子极化。范德华半导体板层使半导体中的激子能够与光发生强烈的相互作用。这种几何结构有助于纳米光学技术和/或纳米级成像。

为了实现这种强耦合，大多数范德华材料都需要低温。研究人员开发了一种低温近红外近场显微镜，能够在范德华半导体CrSBr中进行高能物理成像。这种范德华材料的独特之处在于，激子既表现出强大的振荡强度（这是使电子能够被吸收和发射的机制），又表现出较小的散射率（这限制了激子的寿命）。

“这是首次在已发表的研究中运用低温近红外、近场显微镜，”哥伦比亚大学博士生、论文合著者弗兰克·鲁塔（Frank Ruta）说道?！拔颐窃谡庑┦笛橹惺褂昧私?a class="link-system" href="/encyclopedia/7056515808496218112.html" title="红外光" target="_blank">红外光，它的波长比中红外光短，这使得光学元件的对准更具挑战性。在超高真空环境下进行低温对准更是难上加难。然而，这些实验条件对于观察高能粒子（HEP）是必要的，因为CrSBr只有在低温和近红外波段才会呈现双曲线?！?/span>

Van Schilfgaarde 和 NREL 计算科学研究员 Swagata Acharya 为有序和无序变体的磁体建立了一个稳健的、无参数的理论框架——这种方法代表了探索有序-无序转变在磁激子中的作用的重大进步。

该模型可以描述磁体在临界温度（称为尼尔温度）以上和以下的激子。这一点非常重要，因为当自旋在尼尔温度以上发生无序时，激子会变得更暗——而高能粒子的许多基本性质都取决于这些激子的亮度。

“我们建立了一个物理图像，表明激子的亮度受尼尔温度的影响，”Acharya说?！罢庖辉硎视糜谝淮罄喾兜禄盘?，而不仅限于CrSBr?！?/span>

窗体底端

在纳米尺度上观察双曲激子极化子

研究团队通过低温近红外近场显微镜验证，室温下CrSBr中激子和极化子之间存在定向强耦合。研究人员提出，这种磁电子耦合是CrSBr中双曲性的部分原因（尽管这种双曲性仅在低温下发生）。

在成像实验中，研究团队改变了亚衍射条纹（波在障碍物周围和远离障碍物的地方）的温度、微晶体厚度和能量依赖性，以揭示 HEP 的特性。

Ruta 表示：“HEP 可以将半导体中的光限制在低于传统衍射极限的空间尺寸内，从而使我们能够将光电激子器件小型化，超越光通常对我们施加的限制。”

然而，在CrSBr中观察到的HEP损耗仍然太大，不具备实用性。研究人员目前面临的挑战是如何延长HEP的寿命。将CrSBr引入谐振腔是一种很有前景的途径，或者我们也可以寻找激子共振更强的材料。

“这份手稿还首次描述了自旋无序如何改变激子，而无需借助模型假设，”范·席尔夫加德说道?！盎谘辖骼砺鄣慕峁沟梦颐悄芄挥眉虻サ耐枷窭唇馐褪笛椋渲写判蚴辜ぷ永胗?，并有助于推动CrSBr进入双曲相变?！?/span>

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