Het kan altijd sneller, maar kan er iets beter zijn dan licht? Computeren met licht in plaats van elektriciteit wordt gezien als een doorbraak om de computersnelheid te verhogen. transistoren, de bouwstenen van datacircuits, zijn nodig om elektrische signalen om te zetten in licht om de informatie via een glasvezelkabel te verzenden. Optisch computergebruik kan mogelijk de tijd en energie besparen die voor een dergelijke conversie wordt gebruikt. Naast de hogesnelheidstransmissie, uitstekende geluidsarme eigenschappen van fotonen maken ze ideaal voor het verkennen van de kwantummechanica. De kern van dergelijke boeiende toepassingen is het verzekeren van een stabiele lichtbron, vooral in een kwantumtoestand.

Wanneer licht op elektronen in een halfgeleiderkristal schijnt, een geleidingselektron kan combineren met een positief geladen gat in de halfgeleider om een ​​gebonden toestand te creëren, het zogenaamde exciton. Stromend als elektronen, maar licht uitstralend wanneer het elektron-gat paar weer bij elkaar komt, excitonen kunnen de algehele datatransmissiecircuits versnellen. In aanvulling, tal van exotische fysieke fasen zoals supergeleiding worden gespeculeerd als verschijnselen die voortkomen uit excitonen. Ondanks de rijkdom aan exotische theoretische voorspellingen en de lange geschiedenis (voor het eerst gerapporteerd in de jaren 1930), veel van de fysica met betrekking tot excitonen ging meestal over het oorspronkelijke concept van 'eenvoudige' binding van een elektron en een gat, zelden bijgewerkt van bevindingen in de jaren 1930.

In het laatste nummer van het tijdschrift Natuur , een onderzoeksteam onder leiding van professor Park Je-Geun van het departement Natuur- en Sterrenkunde, Seoul National University—voorheen Associate Director van het Center for Correlated Electron Systems binnen het Institute for Basic Science (IBS, Zuid-Korea) - vond een nieuw type exciton in magnetisch van der Waals-materiaal, NiPS ₃ . "Om zo'n nieuwe staat van een excitonfysica te hosten, het vereist een directe bandgap en vooral, magnetische orde met sterke kwantumcorrelatie. Opmerkelijk, deze studie maakt het laatste mogelijk met NiPS ₃ , een magnetisch van der Waals materiaal, een intrinsiek gecorreleerd systeem, " merkt professor Park Je-Geun op, corresponderende auteur van de studie. De groep van prof. Park rapporteerde de eerste realisatie van exacte 2D magnetische van der Waals-materialen met behulp van NiPS ₃ in 2016. Met hetzelfde materiaal, ze hebben aangetoond dat NiPS ₃ herbergt een geheel andere magnetische excitontoestand dan de meer conventionele excitonen die tot nu toe bekend zijn. Deze excitontoestand is intrinsiek van veel-lichaamsoorsprong, wat een daadwerkelijke realisatie is van een echte kwantumtoestand. Als zodanig, dit nieuwe werk markeert een belangrijke verschuiving in het levendige onderzoeksveld in zijn 80-jarige geschiedenis.

Deze ongewone excitonfysica in NiPS ₃ begon met bizar hoge pieken die werden waargenomen in vroege PL-experimenten (fotoluminescentie) die in 2016 werden uitgevoerd door Prof. Cheong Hyeonsik van de Sogang University. Het werd al snel gevolgd door een ander optisch absorptie-experiment, uitgevoerd door Prof. Kim Jae Hoon van de Yonsei University. Beide sets optische gegevens gaven duidelijk twee punten van significant belang aan:de ene is de temperatuurafhankelijkheid en de andere extreem smalle resonante aard van het exciton.

Om de ongebruikelijke bevindingen te begrijpen, Prof. Park gebruikte een resonante inelastische röntgenverstrooiingstechniek, bekend als RIXS, samen met Dr. Ke-Jin Zhou bij de Diamond Facilities, het VK. Dit nieuwe experiment was van cruciaal belang voor het succes van het totale project. Eerst, het bevestigde zonder enige twijfel het bestaan ​​van de 1,5 eV-excitonpiek. Ten tweede, het gaf een inspirerende handreiking hoe we tot een theoretisch model en de daaruit voortvloeiende berekeningen konden komen. Deze verbinding tussen experiment en theorie speelde voor hen een cruciale rol bij het oplossen van de puzzel in NiPS ₃ .

Met behulp van het hierboven getoonde analytische proces, Dr. KIM Beom Hyun en prof. SON Young-Woo van het Korea Institute for Advanced Study voerden enorme theoretische veellichamenberekeningen uit. Door enorme kwantumtoestanden te onderzoeken van in totaal 1, 500, 000 in de Hilbertruimte, ze concludeerden dat alle experimentele resultaten consistent konden zijn met een bepaalde set parameters. Toen ze de theoretische resultaten vergeleken met de RIXS-gegevens, het was duidelijk dat ze de zeer ongebruikelijke excitonfase van NiPS . volledig begrepen ₃ . Eindelijk, het team kon in theorie de magnetische excitontoestand van de natuur met veel lichamen begrijpen, d.w.z., een echte kwantum-excitontoestand.

Er zijn verschillende essentiële onderscheidingen te maken over het kwantummagnetische exciton dat is ontdekt in NiPS ₃ in vergelijking met het meer conventionele exciton dat in andere 2D-materialen wordt gevonden en alle andere isolatoren met een excitontoestand. Eerst en vooral, de excitonen gevonden in NiPS ₃ is intrinsiek een kwantumtoestand die voortkomt uit een overgang van een Zhang-Rice-triplet naar een Zhang-Rice-singlet. Tweede, het is bijna een resolutie-beperkte staat, indicatief voor een soort van samenhang tussen de staten. Ter vergelijking, alle andere eerder gerapporteerde excitontoestanden zijn afkomstig uit uitgebreide Bloch-toestanden.

Het is waarschijnlijk te vroeg voor ons om definitieve voorspellingen te doen; het zou net zo goed de toekomst van het verwante veld van magnetische van der Waals-onderzoeken kunnen brengen, om nog maar te zwijgen van ons leven. Echter, het is zelfs op dit moment duidelijk dat "de kwantumaard van de nieuwe excitontoestand uniek is en veel aandacht zal trekken vanwege zijn potentieel op het gebied van kwantuminformatie en kwantumcomputing, om er maar een paar te noemen. Ons werk opent een interessante mogelijkheid dat veel magnetische van der Waals-materialen vergelijkbare kwantumexcitontoestanden hebben, ", legt professor Park uit.