在最近的一项开创性研究中，来自德国明斯特大学等的国际物理学家团队引入了一种革命性的控制光的方法，可以极大地改变光通信网络。该研究最近发表在《自然通信》期刊上，他们的研究揭示了二硒化钨（WSe2）和二硒化钼（MoSe2）等超薄材料操纵光偏振的潜力——这是光学技术领域的关键突破。

法拉第旋转的科学

这一创新的核心是法拉第效应，这是19世纪首次发现的现象，它允许光的偏振平面在磁场的影响下通过材料时旋转。材料在诱导法拉第旋转方面的有效性由Verdet常数量化。值得注意的是，这些研究人员已经证明，被六边形氮化硼（hBN）包裹只是原子厚的单层二硒化钨和二硒化钼，表现出巨大的法拉第旋转效应，达到已知材料在可见光光谱中最高的Verdet常数。

这种破纪录的法拉第旋转在中等磁场下在这些材料中A激子迁移（ A exciton transitions）周围有几度。而激子是材料中的电子和孔的结合对，对其光学性能有显著影响。研究人员用原子厚度等薄层实现这种显著效果的能力，代表了比了操纵光的传统材料（如整块晶体）的重大进步。

技术突破和方法

传统的光学隔离器依靠法拉第效应使光只向一个方向通过，但是体积庞大，与可以集成到基于硅的技术的小型化光学电路不兼容。研究团队在二硒化钨和二硒化钼等TMDC（过渡金属二甲基化物，transition metal dichalcogenides）方面的工作完全克服了这些局限性。

为了探索这些影响，研究人员还开发了一种精确的实验装置，其中设置了聚焦于封装样品的宽带光。这些设置都暴露在垂直于表面的磁场中，并使用先进的光学仪器来测量光偏振的变化。这种设置使他们能够推断材料的复数面内介电张量（complex in-plane dielectric tensor），这对理解和预测各种光学现象（如Kerr和法拉第效应）至关重要。

鉴于材料的原子薄度，团队克服的关键挑战之一是测量的微妙性。他们创新研究了一种新的测量技术，比以前的方法快约1000倍，能够有效地操作和分析这些微小的材料。

潜在应用和未来前景

这项研究的影响是广泛而多样的。首先，观察到的高Verdet常数表明，这些材料是开发紧凑型光 学隔离器的重要候选材料。此类设备在光通信网络中至关重要，在光通信网络中，防止向后反射和反馈对于保持信号完整性和系统稳定性至关重要。

此外，这些二维材料的超薄外形和特殊性能可以为它们在集成光子电路中的使用铺平道路，从而可能导致更紧凑、更高效的设备，这些设备可以与现有的硅基电子产品集成。这可能会彻底改变从电信到计算等领域，包括新兴的量子计算领域。

另一个有前途的应用是光学传感器和调制器，其中高精度控制光线的能力是有益的。这些材料对磁场的敏感性及其对光偏振的影响可能导致科学仪器和测量技术的进步，提高探测基本物理过程的能力。

展望未来

根据研究人员的介绍，“二维材料可以成为光学隔离器的核心，并为当今的光学和未来的量子光学计算和通信技术实现片上集成。”与此同时，目前用于光学隔离器的笨重磁铁可能会被原子薄的二维磁铁所取代，从而缩小光子集成电路的尺寸并增强其功能。

随着这项研究从实验室到现实世界应用的进展，光学技术的创新潜力似乎是无限的。有了这些材料，我们正处于光学和量子技术新时代的边缘，其特点是前所未有的小型化和效率。