Fig. 1-a (Överst) Kristallstrukturen för NiPS3; Fig. 1-b (Ner) Ett excitontillstånd föreslaget för NiPS3. Upphovsman:IBS
Saker kan alltid göras snabbare, men kan något slå ljus? Datorer med ljus istället för elektricitet ses som ett genombrott för att öka datorns hastigheter. Transistorer, byggstenarna i datakretsar, krävs för att omvandla elektriska signaler till ljus för att överföra informationen via en fiberoptisk kabel. Optisk beräkning kan eventuellt spara tid och energi som används för sådan konvertering. Förutom höghastighetsväxellådan, utmärkta lågbrusegenskaper hos fotoner gör dem idealiska för att utforska kvantmekanik. Kärnan i sådana övertygande applikationer är att säkerställa en stabil ljuskälla, speciellt i ett kvanttillstånd.
När ljus lyser på elektroner i en halvledarkristall, en ledningselektron kan kombinera med ett positivt laddat hål i halvledaren för att skapa ett bundet tillstånd, den så kallade excitonen. Flödar som elektroner men sänder ut ljus när elektron-hål-paret går ihop igen, excitoner skulle kunna påskynda de övergripande dataöverföringskretsarna. Dessutom, många exotiska fysiska faser som supraledning spekuleras som fenomen som härrör från excitoner. Trots rikedomen av exotiska teoretiska förutsägelser och dess långa historia (rapporterades först på 1930-talet), mycket av fysiken angående excitoner har mest handlat om dess ursprungliga koncept med "enkel" bindning av en elektron och ett hål, sällan uppdaterad från fynd på 1930-talet.
I senaste numret av tidskriften Natur , en forskargrupp ledd av professor Park Je-Geun vid institutionen för fysik och astronomi, Seoul National University—tidigare biträdande direktör för Center for Correlated Electron Systems inom Institute for Basic Science (IBS, Sydkorea) – hittade en ny typ av exciton i magnetiskt van der Waals-material, NiPS 3 . "Att vara värd för ett sådant nytt tillstånd av excitonfysik, det kräver ett direkt bandgap och viktigast av allt, magnetisk ordning med stark kvantkorrelation. I synnerhet, denna studie gör det senare möjligt med NiPS 3 , ett magnetiskt van der Waals -material, ett inneboende korrelerat system, " konstaterar professor Park Je-Geun, motsvarande författare till studien. Prof. Parks grupp rapporterade den första realiseringen av exakta 2-D magnetiska van der Waals-material med hjälp av NiPS 3 2016. Med samma material, de har visat att NiPS 3 är värd för ett helt annat magnetiskt excitontillstånd än de mer konventionella excitonerna som är kända hittills. Detta excitontillstånd är i grunden av många kropps ursprung, vilket är en verklig realisering av ett genuint kvanttillstånd. Som sådan, detta nya verk signalerar en betydande förändring i det pulserande forskningsfältet under dess 80-åriga historia.
Fig. 2 Både PL och optiska absorptionsdata för NiPS3 med tydligt upplösta toppar nära 1,5 eV. Kredit:IBS
Dessa ovanliga excitonfysik i NiPS 3 började med bisarrt höga toppar som upptäcktes i tidiga PL-experiment (fotoluminescens) som gjordes 2016 av professor Cheong Hyeonsik från Sogang University. Det följdes snart av ett annat experiment med optisk absorption utfört av Prof. Kim Jae Hoon från Yonsei University. Båda uppsättningarna av optiska data indikerade tydligt två punkter av betydande betydelse:den ena är temperaturberoendet och den andra extremt snäv resonans hos excitonen.
För att förstå de ovanliga fynden, Prof. Park använde en resonant oelastisk röntgenspridningsteknik, känd som RIXS, tillsammans med Dr Ke-Jin Zhou på Diamond Facilities, Storbrittanien. Detta nya experiment var avgörande för framgången för det övergripande projektet. Först, det bekräftade existensen av 1,5 eV exciton-toppen utom allt tvivel. För det andra, den gav en inspirerande guide om hur vi skulle kunna hitta på en teoretisk modell och de efterföljande beräkningarna. Denna koppling mellan experiment och teori spelade en avgörande roll för dem att knäcka pusslet i NiPS 3 .
Med hjälp av den analytiska processen som visas ovan, Dr KIM Beom Hyun och Prof. SON Young-Woo från Korea Institute for Advanced Study genomförde massiva teoretiska beräkningar av många kroppar. Genom att utforska massiva kvanttillstånd på totalt 1, 500, 000 i Hilbert-utrymmet, de drog slutsatsen att alla experimentella resultat kunde överensstämma med en viss uppsättning parametrar. När de jämförde de teoretiska resultaten med RIXS-data, det var tydligt att de kom till en full förståelse för den mycket ovanliga excitonfasen av NiPS 3 . Äntligen, teamet kunde teoretiskt förstå det magnetiska excitontillståndet hos många kroppsnaturer, dvs. ett äkta kvantexcitontillstånd.
Fig. 3-a (Överst) XAS- och RIXS-data för NiPS3; Fig. 3-b (mitten och ner) Ett schema över RIXS-processen för NiPS3 Kredit:IBS
Det finns flera viktiga skillnader att göra om den kvantmagnetiska excitonen som upptäcktes i NiPS 3 jämfört med den mer konventionella exciton som finns i andra 2D-material och alla andra isolatorer som har ett excitontillstånd. Först och främst, excitonerna som finns i NiPS 3 är i sig ett kvanttillstånd som härrör från en övergång från en Zhang-Rice triplet till en Zhang-Rice singlet. Andra, det är nästan ett upplösningsbegränsat tillstånd, tyder på någon form av samstämmighet mellan staterna. För jämförelse, alla andra excitontillstånd som rapporterats tidigare är från utökade Bloch-tillstånd.
Det är förmodligen för tidigt för oss att göra några säkra förutsägelser; det kan lika gärna bidra till framtiden för det relaterade området för magnetiska Van der Waals-forskningar, för att inte tala om våra liv. Dock, det är klart även i detta ögonblick att "kvantnaturen hos det nya excitontillståndet är unik och kommer att locka mycket uppmärksamhet för dess potentialer inom området kvantinformation och kvantberäkning, för att bara nämna några. Vårt arbete öppnar en intressant möjlighet för många magnetiska van der Waals-material som har liknande kvantexcitontillstånd, "förklarar professor Park.
