Quantum exciton fundet i magnetisk van der Waals materiale

Ting kan altid gøres hurtigere, men kan noget slå lys? Computing med lys i stedet for elektricitet ses som et gennembrud for at øge computerhastighederne. Transistorer, byggestenene i datakredsløb, er forpligtet til at skifte elektriske signaler til lys for at overføre informationen via et fiberoptisk kabel. Optisk computing kan potentielt spare tid og energi, der bruges til en sådan konvertering. Ud over højhastighedstransmissionen, Fotons fremragende støjsvage egenskaber gør dem ideelle til at udforske kvantemekanik. Kernen i sådanne overbevisende applikationer er at sikre en stabil lyskilde, især i en kvantetilstand.

Når lyset skinner på elektroner i en halvlederkrystal, en ledningselektron kan kombinere med et positivt ladet hul i halvlederen for at skabe en bundet tilstand, den såkaldte exciton. Flyder som elektroner, men udsender lys, når elektron-hul-parret samles igen, excitons kunne fremskynde de samlede datatransmissionskredsløb. Ud over, masser af eksotiske fysiske faser som superledelse spekuleres som fænomener, der stammer fra excitoner. På trods af rigdom af eksotiske teoretiske forudsigelser og dens lange historie (første gang rapporteret i 1930'erne), meget af fysikken vedrørende excitoner har mest handlet om det oprindelige koncept om 'simpel' binding af en elektron og et hul, sjældent opdateret fra fund i 1930'erne.

I det seneste nummer af tidsskriftet Natur , et forskerhold ledet af professor Park Je-Geun fra Institut for Fysik og Astronomi, Seoul National University - tidligere associeret direktør for Center for Korrelerede Electronsystemer inden for Institute for Basic Science (IBS, Sydkorea) - fundet en ny type exciton i magnetisk van der Waals -materiale, NiPS ₃ . "At være vært for sådan en ny tilstand af en excitonfysik, det kræver et direkte båndgab og vigtigst af alt, magnetisk orden med stærk kvantekorrelation. Især denne undersøgelse gør det sidste muligt med NiPS ₃ , et magnetisk van der Waals -materiale, et iboende korreleret system, "bemærker professor Park Je-Geun, tilsvarende forfatter til undersøgelsen. Prof. Parks gruppe rapporterede den første realisering af nøjagtige 2-D magnetiske van der Waals-materialer ved hjælp af NiPS ₃ i 2016. Ved at bruge det samme materiale, de har demonstreret, at NiPS ₃ er vært for en helt anden magnetisk excitontilstand end de mere konventionelle excitoner kendt til dato. Denne exciton-tilstand er i sagens natur af mangekroppens oprindelse, som er en egentlig erkendelse af en ægte kvantetilstand. Som sådan, dette nye værk signalerer et betydeligt skift i det pulserende forskningsområde i dets 80 års historie.

Disse usædvanlige exciton fysik i NiPS ₃ begyndte med bizart høje toppe, der blev set i tidlige PL (fotoluminescens) eksperimenter udført i 2016 af Prof. Cheong Hyeonsik fra Sogang University. Det blev hurtigt efterfulgt af et andet optisk absorptionseksperiment udført af prof. Kim Jae Hoon fra Yonsei University. Begge sæt optiske data angav tydeligt to punkter af væsentlig betydning:det ene er temperaturafhængigheden og det andet ekstremt snævre resonansart af exciton.

For at forstå de usædvanlige fund, Prof. Park brugte en resonant uelastisk røntgenspredningsteknik, kendt som RIXS, sammen med Dr. Ke-Jin Zhou på Diamond Facilities, England. Dette nye eksperiment var afgørende for succesen af ​​det samlede projekt. Først, det bekræftede eksistensen af ​​1,5 eV exciton -toppen uden tvivl. For det andet det gav en inspirerende guide til, hvordan vi kunne finde på en teoretisk model og de efterfølgende beregninger. Denne forbindelse mellem eksperiment og teori spillede en afgørende rolle for dem til at knække puslespillet i NiPS ₃ .

Ved hjælp af den ovenfor beskrevne analytiske proces, Dr. KIM Beom Hyun og prof. SON Young-Woo fra Korea Institute for Advanced Study udførte massive teoretiske mange-kropsberegninger. Ved at udforske massive kvantetilstande på i alt 1, 500, 000 i Hilbert-rummet, de konkluderede, at alle eksperimentelle resultater kunne stemme overens med et bestemt sæt parametre. Når de sammenlignede de teoretiske resultater med RIXS -dataene, det var klart, at de kom til en fuld forståelse af den meget usædvanlige exciton -fase af NiPS ₃ . Endelig, teamet kunne teoretisk forstå den magnetiske exciton-tilstand af mangekroppens natur, dvs. en ægte kvante -exciton -tilstand.

Der er flere vitale sondringer mellem den kvantemagnetiske exciton, der er opdaget i NiPS ₃ sammenlignet med den mere konventionelle exciton, der findes i andre 2-D-materialer, og alle de andre isolatorer, der har en exciton-tilstand. Først og fremmest, excitonerne fundet i NiPS ₃ er i sagens natur en kvantetilstand, der stammer fra en overgang fra en Zhang-Rice-trilling til en Zhang-Rice-singlet. Sekund, det er næsten en opløsningsbegrænset tilstand, tegn på en form for sammenhæng i staterne. Til sammenligning, alle de andre exciton -tilstande, der er rapporteret før, er fra udvidede Bloch -stater.

Det er nok for tidligt for os at komme med nogen sikre forudsigelser; det kan lige så godt bringe fremtiden for det beslægtede felt inden for magnetiske van der Waals -undersøgelser, for ikke at tale om vores liv. Imidlertid, det er klart selv i dette øjeblik, at "Den nye exciton -tilstands kvantekarakter er unik og vil tiltrække stor opmærksomhed for dens potentialer inden for kvanteinformation og kvanteberegning, for blot at nævne nogle få. Vores arbejde åbner en interessant mulighed for, at mange magnetiske van der Waals-materialer har lignende kvanteexcitontilstande, "forklarer professor Park.