二維半導體中的法拉第效應

幾個世紀以來，人們一直知道光在某些情況下表現出類似波的行為。當光穿過某些材料時，它們能夠改變光波的偏振(即振蕩方向)。光通信網絡的核心部件“光隔離器”或“光二極管”就是利用了這種特性。這種元件允許光向一個方向傳播，但會阻擋另一個方向的所有光。

在最近的一項研究中，德國和印度的物理學家表明，在適合芯片使用的小磁場下，二硒化鎢等超薄二維材料可以將某些波長的可見光的偏振旋轉幾度。來自德國明斯特大學(University of Münster)和印度浦那印度科學教育與研究所(IISER)的科學家們在《自然-通訊》(Nature Communications)雜志上發表了他們的研究成果。

傳統光學隔離器的問題之一是體積相當大，尺寸在幾毫米到幾厘米之間。因此，研究人員還無法在芯片上制造出可與日常硅基電子技術相媲美的微型集成光學系統。目前的集成光學芯片上只有幾百個元件。

相比之下，計算機處理器芯片包含數十億個開關元件。因此，德國和印度團隊的研究工作在開發微型光隔離器方面向前邁出了一步。研究人員使用的二維材料只有幾個原子層厚，因此比人的頭發還要細十萬倍。

明斯特大學的Rudolf Bratschitsch教授說：“未來，二維材料可能成為光隔離器的核心，并實現當今光學和未來量子光學計算與通信技術的片上集成。”

來自 IISER 的 Ashish Arora 教授補充說：“即使是光學隔離器所需的笨重磁鐵，也可以用原子級薄型二維磁鐵代替。這將大大縮小光子集成電路的尺寸。”

研究小組破譯了導致他們發現的效應的機制： 二維半導體中的結合電子-空穴對，即所謂的激子，在超薄材料置于小磁場中時，會使光的偏振發生強烈旋轉。

Arora稱：“在二維材料上進行如此靈敏的實驗并不容易，因為樣品面積非常小。科學家們不得不開發出一種新的測量技術，其速度比以前的方法快 1000 倍左右。”

審核編輯 黃宇