二维磁体光致发光光谱

二维范德华磁体已成为凝聚态物理最令人兴奋的前沿之一，为下一代自旋电子学和磁电器件提供原子级薄平台。在这些材料中，硫化溴化铬（CrSBr）作为半导体反铁磁体受到特别关注，其磁性与激子光学性质紧密耦合，意味着其磁态原则上可通过光致发光（PL）进行光学读出。自旋序与光发射之间的这种耦合使 CrSBr 成为电可调、光学可寻址自旋电子学应用的有力候选。

复旦大学研究人员（与上海科技大学和东南大学合作）探索界面电荷转移——通过将三层 CrSBr 与单层石墨烯配对形成异质结构器件——是否可用于操控并揭示原本隐藏的磁态。

团队由来自量子计算、表面物理和纳米结构小组的成员组成，采用磁光致发光（magneto-PL）测量作为磁转变的主要探针，辅以光学二次谐波产生（SHG），以表征宽温度与磁场范围内的磁序演化。PL 光谱对于通过特征激子发射能量和强度区分不同磁构型至关重要。

本研究的核心光谱挑战是分辨原子级薄材料中紧密间隔磁态之间激子 PL 发射的极其细微差异。三层 CrSBr 中的铁磁（FM）、反铁磁（AFM）和新发现的“混合”磁态各自产生独特的光谱特征，但仅相隔数十 meV。例如，1.328 eV、1.338 eV 和 1.363 eV 的激子峰必须清晰分辨并可靠区分以指定磁构型。光谱分辨率或探测器灵敏度的任何不足都会使这些态看起来无法区分。

加剧这一挑战的是，CrSBr 薄片尺寸微小，所有测量在约 7 K 的磁光低温恒温器中进行。此类原子级薄薄片的 PL 信号本身很弱，对探测器效率和信噪比性能提出严格要求。此外，实验需要在磁场值、温度和栅压矩阵上采集完整 PL 光谱（不仅是强度），要求在整个漫长测量活动中兼具高吞吐量和可重复的光谱保真度。

Teledyne Princeton Instruments 为挑战性光谱应用（尤其是新型材料的 PL）提供多种理想解决方案。本研究中，PL 光谱使用配备 150 g/mm 光栅的 SpectraPro HRS‑500 光谱仪和 PyLoN 100 CCD 探测器采集。这一成熟组合提供了清晰分离作为各磁态指纹的紧密间隔激子峰所需的光谱分辨率。可靠区分分别对应 FM、AFM 和混合构型的峰，对本研究核心发现至关重要：识别由界面电荷转移产生的先前未观测到的中间“混合”磁态。

PyLoN CCD 的灵敏度能够在毫开尔文至液氦温度下探测原子级薄薄片的 PL 发射，此时信号水平最具挑战性。这使团队能够在全部实验条件范围内构建全面的温度依赖和栅压依赖数据集。通过该系统收集的高质量光谱数据提供了区分三种磁态的决定性证据——仅靠积分强度（用用于测绘的雪崩光电二极管捕获）无法完全提供。

SpectraPro HRS-500 光谱仪与 PyLoN CCD 共同提供了支撑本研究最重要结论之一的光谱精度与探测灵敏度：石墨烯的电荷转移在单个原子层水平上根本改变了 CrSBr 的磁景观。

Hong, C., Sun, Z., Sheng, Z., Wu, S., Chen, Y., Tian, M., Wan, N., Mi, Q., Liu, Z., Chu, W. & Wu, S. (2025). Charge transfer governed interlayer magnetic coupling and symmetry breaking in a van der Waals magnet. Nature Communications, 16, 9498. https://doi.org/10.1038/s41467-025-64555-z