宾夕法尼亚大学的梅丽莎·帕帕斯 三硫化二铁磷(FePS3)样品中的不同颜色对应于不同厚度的区域，这些区域在不同波长下形成不同的“腔”模式
学分:宾夕法尼亚大学 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，这种能力对于高分辨率成像、生物传感器和手机至关重要
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控
为了解决这一挑战，工程师们已经找到了利用光反射材料的特性来操纵光的间接方法
然而，这一挑战在纳米尺度上变得更加困难，因为材料在原子级的稀薄状态下表现不同
电子和系统工程助理教授Deep Jariwala及其同事发现了反铁磁材料的一种磁性，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，这是科学家几十年来一直试图弥合的差距
他们在最近发表在《自然光子学》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，贾里瓦拉实验室的博士生张和吴实验室的博士生倪卓良合作，描述了反铁磁半导体材料FePS3的磁性
空军研究实验室和KBR公司的克里斯托弗·斯蒂文斯和约书亚·亨德里克森
在俄亥俄州，以及俄亥俄州凯尼恩学院的敖风·白和弗兰克·佩里斯也对这项工作作出了贡献
“我们实验室的研究重点是寻找用于电子、计算机、信息存储和能量收集和转换的新材料，”贾里瓦拉说
“我们研究的这类材料是原子级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和反铁磁体
反铁磁体是一种材料，它包含沿着一个方向旋转的电子线，旁边是沿着相反方向旋转的电子线，抵消了任何典型的磁体吸引力或排斥力，而铁磁体是那些具有沿着相同方向旋转并产生自己磁场的电子的材料
这项研究中使用的反铁磁材料FePS3或三硫化铁磷是一种半导体，具有独特的光学特性，取决于其电子自旋方向的排列
“理论上，通过对这种反铁磁2D半导体施加外部磁场，我们可以改变它的光学特性，”贾里瓦拉说
“这就是你如何利用磁性操纵光
在磁性和光操纵之间建立了联系之后，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
" 这篇论文不仅描述了利用材料的磁性来控制光线，它还强调了材料的物理属性
“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，显著增强了它与光的相互作用以及它对磁性的改变，”Jariwala说
“当试图开发一种有效的光控制技术时，这是很重要的
" “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，你会看到无数个你自己的倒影，这是因为你所观察的光与镜子介质多次相互作用
光在逃逸之前与介质的相互作用越多，光学效应就越强
通过改变材料的厚度来创造一个高度互动的腔，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
光的操控不仅对技术进步意义重大，也是表征材料的一种工具
Jariwala说:“这项工作还与梁之前的一项研究有关，该研究展示了二次谐波产生显微镜在单层水平上直接成像不同反铁磁半导体中s钉扎排列的能力。”
“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性质的专门方法
使用这种专门的显微镜技术，我们现在可以用几个原子的厚度来表征材料并绘制它们的磁性
这些论文一起强调了光学性质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对反铁磁材料中选定的定向自旋积极施加磁场，测试创建磁光子电路的能力，从而将磁操纵光的理论付诸实践
“我们对这些观察结果感到非常兴奋，特别是因为它们是在半导体材料中，我们拥有各种其他的操纵旋钮，”Jariwala说
“此外，这类材料的范围更广，有更多的组合可供探索，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中的光的方法，并看看我们可以在实际设备中对它们进行多强的调节
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