东光县华磁化工有限公司:范德华磁性材料中发现的量子激子

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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础,需要将电信号转换为光,以便通过光缆传输信息。光学计算可以潜在地节省用于这种转换的时间和能量。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,许多外来物理相(例如超导)是激子产生的现象。尽管有丰富的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“简单”结合的最初概念,很少从1930年代电子学的发现中得到更新。

在今天最新一期的《自然》杂志上,由首尔国立大学物理与天文学系的Je-Geun Park教授领导的研究小组,在磁性范德华材料NiPS3中发现了一种新型激子。

如图所示的磁性范德华兹材料NiPS3中发现的量子激子。a(上)NiPS3的晶体结构;b(下)为NiPS3提出的激子态。

Park指出, “要掌握激子物理学的这种新状态,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,这项研究使后者可以利用固有的相关性的范德华磁性材料NiPS3系统”。

Park教授的研究小组在2016年报告了使用NiPS3首次实现精确的二维磁性范德华材料。使用相同的材料,他们证明了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。该激子态本质上是多体起源的,这是真正量子态的实际实现。因此,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。如图所示NiPS3的PL和光吸收数据均具有清晰分辨的接近1.5 eV的峰。

为了理解这一不寻常的发现,Park教授与英国钻石设施的研究人员一起使用了共振非弹性X射线散射技术(resonant inelastic X-ray scattering technique,缩写: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1.5 eV激子峰的存在。其次,它为东光县华磁化工有限公司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中的难题起到了关键作用。

使用上述分析过程,研究团队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共振非弹性X射线散射技术(RIXS)数据进行比较时,很明显,他们充分了解了NiPS3的非常不寻常的激子相。最后,研究小组从理论上可以理解多体性质的磁激子状态,即真正的量子激子状态。如图所示磁性范德华兹材料NiPS3中发现的量子激子。a(上)NiPS3的XAS和RIXS数据;b(中和下)NiPS3积分:IBS的RIXS过程示意图。

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种量子态,是由张-莱斯三重态(Zhang-Rice triplet)向张-莱斯单重态(Zhang-Rice singlet)的转变产生的。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。

Park表示,该研究可能带动范德华磁研究的相关领域的未来。但是很清楚的是:“新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吸引很多关注,该研究开启了许多具有相似量子激子态的磁性范德华材料的可能前景。”

参考:Coherent many-body exciton in van der Waals antiferromagnet NiPS3.Nature(2020).DOI: 10.1038/s41586-020-2520-5. DOI: 10.1038/s41586-020-2520-5.量子认知 | 简介科学新知识,敬请热心来关注。

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