Le cose possono sempre essere fatte più velocemente, ma qualcosa può battere la luce? L'informatica con la luce invece che con l'elettricità è vista come una svolta per aumentare la velocità del computer. transistor, gli elementi costitutivi dei circuiti dati, sono tenuti a trasformare i segnali elettrici in luce per trasmettere le informazioni tramite un cavo in fibra ottica. Il calcolo ottico potrebbe potenzialmente risparmiare il tempo e l'energia utilizzati per tale conversione. Oltre alla trasmissione ad alta velocità, le eccezionali proprietà a basso rumore dei fotoni li rendono ideali per esplorare la meccanica quantistica. Al centro di tali applicazioni avvincenti è garantire una fonte di luce stabile, soprattutto in uno stato quantistico.

Quando la luce viene proiettata sugli elettroni in un cristallo semiconduttore, un elettrone di conduzione può combinarsi con un foro caricato positivamente nel semiconduttore per creare uno stato legato, il cosiddetto eccitone. Scorre come gli elettroni ma emette luce quando la coppia elettrone-lacuna si riunisce, gli eccitoni potrebbero velocizzare i circuiti complessivi di trasmissione dei dati. Inoltre, molte fasi fisiche esotiche come la superconduttività sono ipotizzate come fenomeni derivanti dagli eccitoni. Nonostante la ricchezza di previsioni teoriche esotiche e la sua lunga storia (riportata per la prima volta negli anni '30), gran parte della fisica riguardante gli eccitoni riguarda principalmente il suo concetto iniziale di legame "semplice" di un elettrone e una lacuna, raramente aggiornato dai risultati negli anni '30.

Nell'ultimo numero della rivista Natura , un gruppo di ricerca guidato dal professor Park Je-Geun del Dipartimento di Fisica e Astronomia, Seoul National University—precedentemente Direttore associato del Centro per i sistemi elettronici correlati all'interno dell'Istituto per le scienze di base (IBS, Corea del Sud)—trovò un nuovo tipo di eccitone nel materiale magnetico di van der Waals, NiPS ₃ . "Per ospitare uno stato così nuovo di una fisica degli eccitoni, richiede un bandgap diretto e, cosa più importante, ordine magnetico con forte correlazione quantistica. In particolare, questo studio rende possibile quest'ultima con NiPS ₃ , un materiale magnetico van der Waals, un sistema intrinsecamente correlato, " nota il professor Park Je-Geun, corrispondente autore dello studio. Il gruppo del Prof. Park ha riportato la prima realizzazione di materiali di van der Waals magnetici 2-D esatti usando NiPS ₃ nel 2016. Utilizzando lo stesso materiale, hanno dimostrato che NiPS ₃ ospita uno stato di eccitoni magnetici completamente diverso dagli eccitoni più convenzionali conosciuti fino ad oggi. Questo stato di eccitone è intrinsecamente di origine a molti corpi, che è una realizzazione effettiva di un vero stato quantico. Come tale, questo nuovo lavoro segna un cambiamento significativo nel vibrante campo della ricerca nei suoi 80 anni di storia.

Questa insolita fisica degli eccitoni in NiPS ₃ è iniziato con picchi stranamente alti individuati nei primi esperimenti di PL (fotoluminescenza) condotti nel 2016 dal Prof. Cheong Hyeonsik della Sogang University. Fu presto seguito da un altro esperimento di assorbimento ottico fatto dal Prof. Kim Jae Hoon della Yonsei University. Entrambi i set di dati ottici indicano chiaramente due punti di notevole importanza:uno è la dipendenza dalla temperatura e l'altro la natura risonante estremamente ristretta dell'eccitone.

Per comprendere i risultati insoliti, Il prof. Park ha utilizzato una tecnica di diffusione di raggi X anelastica risonante, noto come RIXS, insieme al Dr. Ke-Jin Zhou presso le strutture Diamond, il Regno Unito. Questo nuovo esperimento è stato fondamentale per il successo del progetto complessivo. Primo, ha confermato al di là di ogni dubbio l'esistenza del picco eccitone di 1,5 eV. In secondo luogo, ha fornito una guida stimolante su come si poteva elaborare un modello teorico e i calcoli che ne derivavano. Questa connessione tra esperimento e teoria ha svolto un ruolo fondamentale per risolvere il puzzle in NiPS ₃ .

Utilizzando il processo analitico mostrato sopra, Il Dr. KIM Beom Hyun e il Prof. SON Young-Woo del Korea Institute for Advanced Study hanno effettuato massicci calcoli teorici a molti corpi. Esplorando stati quantistici massicci per un totale di 1, 500, 000 nello spazio di Hilbert, hanno concluso che tutti i risultati sperimentali potrebbero essere coerenti con un particolare insieme di parametri. Quando hanno confrontato i risultati teorici con i dati RIXS, era chiaro che erano giunti a una piena comprensione della fase eccitonica molto insolita di NiPS ₃ . Alla fine, il team potrebbe teoricamente comprendere lo stato dell'eccitone magnetico della natura a molti corpi, cioè., un vero e proprio stato quantistico degli eccitoni.

Ci sono diverse distinzioni vitali da fare sull'eccitone magnetico quantistico scoperto in NiPS ₃ rispetto all'eccitone più convenzionale trovato in altri materiali 2-D e tutti gli altri isolanti aventi uno stato di eccitone. Innanzitutto, gli eccitoni trovati in NiPS ₃ è intrinsecamente uno stato quantistico derivante da una transizione da una tripletta di Zhang-Rice a una singoletta di Zhang-Rice. Secondo, è quasi uno stato a risoluzione limitata, indicativo di una sorta di coerenza presente tra gli stati. Per confronto, tutti gli altri stati di eccitone riportati prima provengono da stati estesi di Bloch.

Probabilmente è troppo presto per fare previsioni definitive; potrebbe anche portare sul futuro del campo correlato delle ricerche magnetiche van der Waals, per non parlare delle nostre vite. Però, è chiaro anche in questo momento che "La natura quantistica del nuovo stato degli eccitoni è unica e attirerà molta attenzione per le sue potenzialità nel campo dell'informazione quantistica e dell'informatica quantistica, per citarne solo alcuni. Il nostro lavoro apre un'interessante possibilità di molti materiali magnetici di van der Waals con stati di eccitoni quantistici simili, " spiega il professor Park.