超薄二维材料能使可见光发生偏振旋转

二维半导体中的法拉第效应

几个世纪以来，人们一直知道光在某些情况下表现出类似波的行为。当光穿过某些材料时，它们能够改变光波的偏振(即振荡方向)。光通信网络的核心部件“光隔离器”或“光二极管”就是利用了这种特性。这种元件允许光向一个方向传播，但会阻挡另一个方向的所有光。

在最近的一项研究中，德国和印度的物理学家表明，在适合芯片使用的小磁场下，二硒化钨等超薄二维材料可以将某些波长的可见光的偏振旋转几度。来自德国明斯特大学(University of Münster)和印度浦那印度科学教育与研究所(IISER)的科学家们在《自然-通讯》(Nature Communications)杂志上发表了他们的研究成果。

传统光学隔离器的问题之一是体积相当大，尺寸在几毫米到几厘米之间。因此，研究人员还无法在芯片上制造出可与日常硅基电子技术相媲美的微型集成光学系统。目前的集成光学芯片上只有几百个元件。

相比之下，计算机处理器芯片包含数十亿个开关元件。因此，德国和印度团队的研究工作在开发微型光隔离器方面向前迈出了一步。研究人员使用的二维材料只有几个原子层厚，因此比人的头发还要细十万倍。

明斯特大学的Rudolf Bratschitsch教授说：“未来，二维材料可能成为光隔离器的核心，并实现当今光学和未来量子光学计算与通信技术的片上集成。”

来自 IISER 的 Ashish Arora 教授补充说：“即使是光学隔离器所需的笨重磁铁，也可以用原子级薄型二维磁铁代替。这将大大缩小光子集成电路的尺寸。”

研究小组破译了导致他们发现的效应的机制： 二维半导体中的结合电子-空穴对，即所谓的激子，在超薄材料置于小磁场中时，会使光的偏振发生强烈旋转。

Arora称：“在二维材料上进行如此灵敏的实验并不容易，因为样品面积非常小。科学家们不得不开发出一种新的测量技术，其速度比以前的方法快 1000 倍左右。”

审核编辑 黄宇