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磁范德瓦尔斯材料中的量子激子

更新时间:2020-07-28 19:57点击:

事情总是可以做得更快,但有什么能打败光线吗?用光代替电进行计算被视为提高计算机速度的一项突破。晶体管是数据电路的组成部分,为了通过光纤电缆传输信息,需要将电信号转换成光。光学计算可以潜在地节省用于这种转换的时间和能量。除了高速传输之外,光子优异的低噪声特性使其成为探索量子力学的理想材料。这种引人注目的应用程序的核心是确保稳定的光源,特别是在量子状态下。

当光线照射到半导体晶体中的电子时,传导电子可以与半导体中带正电荷的空穴结合,形成束缚态,即所谓的激子。激子像电子一样流动,但当电子-空穴对回到一起时就会发光,激子可以加速整个数据传输电路。此外,许多奇异的物理相,如超导性,推测是由激子引起的现象。尽管有丰富的外来理论预测和它的悠久历史(第一次报道是在20世纪30年代),很多关于激子的物理学主要是关于它的电子和空穴“简单”结合的最初概念,很少从20世纪30年代的发现更新。

在最新一期的《自然》杂志上,公园Je-Geun教授领导的一个研究小组的物理学和天文学,首尔国立University-previously中心副主任相关电子系统在基础科学研究所(IBS、韩国)相区别的新型磁范德瓦耳斯材料激子,NiPS3。“要宿主如此新颖的激子物理状态,它需要一个直接的带隙,最重要的是,具有强量子相关性的磁序。值得注意的是,这项研究使得NiPS3成为可能,NiPS3是一种磁性范德瓦尔斯材料,是一种内在相关的系统。Park教授的团队报告称,2016年NiPS3首次实现了精确的二维范德瓦尔斯磁性材料。使用同样的材料,他们证明了NiPS3具有与目前已知的更传统的激子完全不同的磁激子状态。激子状态本质上是多体起源的,它是一个真正的量子状态的实际实现。因此,这项新工作标志着这个充满活力的研究领域在其80年的历史上的一个重大转变。

NiPS3的这些不寻常的激子物理始于2016年Sogang大学Prof. Cheong Hyeonsik在早期发光实验中发现的怪异的高峰。随后,延世大学的金在勋教授又进行了另一项光学吸收实验。两组光学数据都清楚地表明了两点重要的意义:一是激子的温度依赖性,二是激子的极窄共振性质。

为了了解这一不寻常的发现,Park教授与英国钻石研究所的周克进博士一起使用了一种非弹性x射线共振散射技术(RIXS)。这个新实验对整个项目的成功至关重要。首先,它毫无疑问地证实了1.5 eV激子峰的存在。其次,它为我们如何提出理论模型和随后的计算提供了启发性的指导。这种实验与理论的结合对他们破解NiPS3中的难题起到了关键作用。

利用上述分析过程,韩国高级研究院的金宝贤博士和SON Young-Woo教授进行了大量的理论多体计算。通过探索希尔伯特空间中总计150万个大质量量子态,他们得出结论,所有实验结果都可以与一组特定的参数相一致。当他们将理论结果与RIXS的数据进行比较时,很明显,他们对NiPS3极不寻常的激子阶段有了全面的了解。最后,从理论上了解了多体性质的磁激子状态,即:,一个真正的量子激子状态。

在NiPS3中发现的量子磁激子与在其他二维材料和所有其他具有激子状态的绝缘子中发现的更传统的激子相比,有几个重要的区别。首先,NiPS3中发现的激子本质上是一种量子态,由张米三态过渡到张米单态。其次,它几乎是一个决议有限的状态,表明在国家之间存在某种一致性。为了比较,之前报道的所有其他激子状态都来自扩展的布洛赫态。

对我们来说,现在做出任何明确的预测可能还为时过早;它可能会带来相关领域的未来范德瓦尔斯研究,更不用说我们的生活。然而,即使在此时,我们也可以清楚地看到,“新激子态的量子性质是独一无二的,它在量子信息和量子计算领域的潜力将会吸引大量的关注。”我们的工作开启了一种有趣的可能性,即许多磁性范德华材料具有类似的量子激子状态。