光与固态系统的强耦合是光与物质相互作用领域研究的重点。强耦合是指光子与物质激发间通过能量相干交换，形成半光-半物质极化激元准粒子。光-物质强耦合使得信息可以在光与物质之间相干传输、存储和处理，对于发展光量子器件、构建光量子信息网络至关重要。在过去的研究中，人们广泛报道了光子与激子、声子、磁子等单一准粒子的耦合现象。光子、激子与磁序等的多场耦合有望实现丰富的多体现象、跨波段的非线性效应等。然而，由于缺乏同时具备强激子共振和磁序的材料体系，这样的多物理场强耦合现象一直难以实现。

最近，合作团队在范德华反铁磁半导体CrSBr材料中取得了突破性进展，通过将其与光学微腔强耦合构建了磁修饰激子极化激元。CrSBr是层间A-type反铁磁序与半导体激子耦合的独特材料体系，一经发现就获得了广泛的研究关注。合作团队通过光场结构设计，制备了与CrSBr有效耦合的布拉格反射镜微腔，兼具了小光学模式体积和高微腔品质因子。角分辨光谱证实耦合体系的光与激子耦合强度高至169毫电子伏，达到了超强耦合区间，且在室温下依然保持稳定。类似微腔结构中的光-激子耦合强度大多在几到几十毫电子伏，这项工作中报道的高耦合强度在固态半导体中非常罕见。

左图：CrSBr与光学微腔耦合结构；右图：激子极化激元能级的磁场调控

合作团队深入研究了该激子极化激元体系的磁调控特性。温度依赖光谱测量发现，在跨越CrSBr的奈尔温度、磁序从反铁磁向顺磁转变时，极化激元光谱移动趋势显著改变，反映了其磁序与激子态的耦合。研究人员进一步施加了垂直于样品平面的磁场，通过改变层间自旋排布调制激子层间相互作用，进而实现了对激子极化激元能量的高效调控。研究证实，磁场调控过程中，光子与激子的超强耦合强度几乎保持不变，充分展示了耦合体系的高鲁棒性。研究结果提出了一种由稳健的光-电-磁多场强耦合的混合量子平台，在光场调控、量子互联和换能器技术等应用领域带来了新的研究前景。

相关成果以《磁修饰的超强耦合CrSBr激子极化激元》（Magnetically-dressed CrSBr exciton-polaritons in ultrastrong coupling regime）为题，于2023年9月25日在线发表于《自然∙通讯》（Nature Communications）。论文的共同第一作者为北京大学物理学院2023届博士毕业生王婷婷、2023级博士生张鼎扬和北京大学“博雅”博士后杨诗祺，共同通讯作者为北京大学刘文静研究员、叶堉研究员和华南师范大学的陈祖信副研究员。论文主要合作者还包括北京大学物理学院杨金波教授。

上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金等支持。

论文原文链接

https://www.nature.com/articles/s41467-023-41688-7