磁性范德华兹材料NiPS3中发现的量子激子

事情总是可以更快地完成，但是有什么能战胜光明吗?用光代替电进行计算被认为是提高计算机速度的突破。晶体管是数据电路的基本组成部分，需要将电信号转换为光才能通过光纤电缆传输信息。光学计算可以潜在地节省用于这种转换的时间和精力。除了高速传输外，光子还具有出色的低噪声特性，使其成为探索量子力学的理想之选。这种引人注目的应用的核心是确保稳定的光源，尤其是在量子状态下。

当光照射到半导体晶体中的电子上时，传导电子可以与半导体中带正电的空穴结合以形成束缚态，即所谓的激子。激子像电子一样流动，但是当电子空穴对重新聚在一起时发光，激子可以加快整个数据传输电路的速度。此外，推测许多外来物理相(如超导)是激子产生的现象。尽管有丰富的外来理论预测和悠久的历史(最早在1930年代报道)，但有关激子的许多物理学主要是关于电子和空穴的“简单”结合的最初概念，很少有关于激子的更新。 1930年代。

在最新一期的《自然》杂志上，首尔国立大学物理与天文学系的PARK Je-Geun教授领导的研究团队-之前是基础科学研究所(IBS)相关电子系统中心的副主任，韩国)-在磁性范德华材料NiPS3中发现了一种新型激子。“要保持激子物理学的这种新状态，它需要直接的带隙，最重要的是，具有强量子相关性的磁阶。值得注意的是，这项研究使得使用NiPS3实现后者成为可能。”，该研究的通讯作者PARK Je-Geun教授指出。Park教授的小组报告了2016年首次使用NiPS3实现精确的2D磁性范德华材料。他们用相同的材​​料证明了NiPS3具有与迄今已知的更常规的激子完全不同的磁激子状态，这种激子状态本质上是多体起源的，这是真正的量子态的实际实现。 ，这项新工作标志着其80年历史中充满活力的研究领域发生了重大变化。

NiPS3中所有不寻常的激子物理学都是从Sogang大学CHEONG Hyeonsik教授在2016年进行的PL(光致发光)早期实验中发现的异常高的峰开始的。不久之后，延世大学的金在勋教授进行了另一项光吸收实验。两组光学数据清楚地表明了两个非常重要的点：一个是温度依赖性，另一个是激子的极窄共振特性。

为了理解这些不寻常的发现，Park教授与英国钻石设施的周克金博士一起使用了共振非弹性X射线散射技术，称为RIXS。这项新实验对整个项目的成功至关重要。首先，它毫无疑问地确认了存在1.5 eV激子峰。其次，它为如何提出理论模型和随后的计算提供了启发性的指导。实验与理论之间的这种联系对于他们破解NiPS3中的大难题发挥了关键作用。

使用上面显示的分析过程，韩国高等研究院的KIM Beom Hyun博士和SON Young-Woo教授进行了大量的理论多体计算。通过在希尔伯特空间中探索总计1,500,000的大量量子态，他们得出结论，所有实验结果都可以与一组特定参数保持一致。当他们将理论结果与RIXS数据进行比较(图3-a)时，很明显，他们对NiPS3的非常不寻常的激子相有了充分的了解。最后，研究小组可以从理论上理解多体性质的磁激子状态，即真正的量子激子状态。

与在其他2D材料和所有其他具有激子状态的绝缘子中发现的更常规的激子相比，在NiPS3中发现的量子磁激子有几个重要的区别。首先，在NiPS3中发现的激子本质上是一个量子态，是由张-米三重态转变为张-米单重态所产生的。其次，它几乎是一个分辨率受限的状态，表示状态之间存在某种一致性。为了进行比较，以前报告的所有其他激子状态都来自扩展的布洛赫状态。

对我们做出任何明确的预测可能为时过早。它也可能带动范德华磁研究的相关领域的未来，更不用说我们的生活了。但是，即使在这一刻，也很清楚“新的激子态的量子性质是独特的，并且由于其在量子信息和量子计算领域的潜力而将引起很多关注，仅举几例。我们的工作开启了许多具有相似量子激子态的磁性范德华材料的有趣可能性。” Park教授解释说。

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