光腔中的真空无需激光激发即可改变材料的磁性状态

在光腔内部，光粒子时隐时现。这些波动可将α-RuCl3 的磁序从之字形反铁磁体变为铁磁体。资料来源：J. Harms, MPSD

德国和美国的研究人员首次从理论上证明，只需将原子薄材料α-RuCl3放入一个光腔，就能控制其磁性状态。最关键的是，仅空腔真空波动就足以将材料的磁序从之字形反铁磁体改变为铁磁体。研究小组的研究成果发表在《npj Computational Materials》上。

近期材料物理学研究的一个主题是利用强激光改变磁性材料的特性。通过精心设计激光的特性，研究人员已经能够大幅改变不同材料的导电性和光学特性。

然而，这需要高强度激光的持续刺激，而且存在一些实际问题，主要是难以阻止材料升温。因此，研究人员正在寻找利用光对材料进行类似控制的方法，但无需使用高强度激光。

现在，位于德国汉堡的马克斯-普朗克物质结构与动力学研究所（MPSD）、斯坦福大学和宾夕法尼亚大学（均位于美国）的理论家们提出了一种根本不同的方法，即在不使用任何激光的情况下，在空腔中改变真实材料的磁性。他们的合作表明，仅凭空腔就足以将人字形反铁磁体 α-RuCl3 变成铁磁体。

最重要的是，研究小组证明，即使在表面看似黑暗的空腔中，α-RuCl3 也能感知电磁环境的变化，并相应地改变其磁性状态。这是一种纯粹的量子力学效应，因为在量子理论中，空腔（技术上称为真空状态）从来都不是真正的空腔。相反，光场会发生波动，使光粒子忽隐忽现，进而影响材料的特性。

"光腔将电磁场限制在很小的体积内，从而增强了光与材料之间的有效耦合，"第一作者、MPSD 理论组博士后研究员 Emil Viñas Boström 解释说。"我们的研究结果表明，精心设计空腔电场的真空波动可以使材料的磁性能发生巨大变化。由于不需要光激发，这种方法原则上规避了与连续激光驱动相关的问题。

这是第一项在真实材料中展示这种空腔磁性控制的研究，也是继之前对铁电材料和超导材料的空腔控制研究之后的又一项成果。研究人员希望，设计特定的空腔将有助于他们实现新的、难以捉摸的物质相，并更好地理解光与物质之间微妙的相互作用。

参考资料

Emil Viñas Boström et al, Controlling the magnetic state of the proximate quantum spin liquid α-RuCl3 with an optical cavity, npj Computational Materials (2023). DOI: 10.1038/s41524-023-01158-6

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