Las cosas siempre se pueden hacer más rápido pero ¿puede algo vencer a la luz? Computar con luz en lugar de electricidad se considera un gran avance para aumentar la velocidad de las computadoras. Transistores los componentes básicos de los circuitos de datos, son necesarios para convertir las señales eléctricas en luz para transmitir la información a través de un cable de fibra óptica. La computación óptica podría ahorrar potencialmente el tiempo y la energía utilizados para dicha conversión. Además de la transmisión de alta velocidad, Las excelentes propiedades de bajo ruido de los fotones los hacen ideales para explorar la mecánica cuántica. En el corazón de aplicaciones tan atractivas está asegurar una fuente de luz estable, especialmente en un estado cuántico.

Cuando la luz incide sobre los electrones de un cristal semiconductor, un electrón de conducción puede combinarse con un agujero cargado positivamente en el semiconductor para crear un estado ligado, el llamado excitón. Fluyendo como electrones pero emitiendo luz cuando el par electrón-agujero se vuelve a juntar, los excitones podrían acelerar los circuitos generales de transmisión de datos. Además, muchas fases físicas exóticas como la superconductividad se especulan como fenómenos que surgen de los excitones. A pesar de la riqueza de predicciones teóricas exóticas y su larga historia (reportada por primera vez en la década de 1930), gran parte de la física con respecto a los excitones se ha centrado principalmente en su concepto inicial de unión 'simple' de un electrón y un agujero, rara vez se actualiza a partir de los hallazgos de la década de 1930.

En el último número de la revista Naturaleza , un equipo de investigación dirigido por el profesor Park Je-Geun del Departamento de Física y Astronomía, Universidad Nacional de Seúl:anteriormente Director Asociado del Centro de Sistemas Electrónicos Correlacionados dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS, Corea del Sur):encontró un nuevo tipo de excitón en material magnético de van der Waals, NiPS ₃ . "Para albergar un estado tan novedoso de una física de excitones, requiere una banda prohibida directa y, lo más importante, orden magnético con fuerte correlación cuántica. Notablemente, este estudio hace posible lo último con NiPS ₃ , un material magnético de van der Waals, un sistema intrínsecamente correlacionado, "señala el profesor Park Je-Geun, autor correspondiente del estudio. El grupo del profesor Park informó sobre la primera realización de materiales de van der Waals magnéticos bidimensionales exactos utilizando NiPS ₃ en 2016. Utilizando el mismo material, han demostrado que NiPS ₃ alberga un estado de excitón magnético completamente diferente de los excitones más convencionales conocidos hasta la fecha. Este estado de excitón es intrínsecamente de origen de muchos cuerpos, que es una realización real de un estado cuántico genuino. Como tal, Este nuevo trabajo marca un cambio significativo en el vibrante campo de la investigación en sus 80 años de historia.

Estas inusuales físicas de excitones en NiPS ₃ comenzó con picos extrañamente altos detectados en los primeros experimentos de PL (fotoluminiscencia) realizados en 2016 por el profesor Cheong Hyeonsik de la Universidad de Sogang. Pronto fue seguido por otro experimento de absorción óptica realizado por el profesor Kim Jae Hoon de la Universidad de Yonsei. Ambos conjuntos de datos ópticos indicaron claramente dos puntos de importancia significativa:uno es la dependencia de la temperatura y el otro la naturaleza resonante extremadamente estrecha del excitón.

Para comprender los hallazgos inusuales, El profesor Park utilizó una técnica de dispersión de rayos X inelástica resonante, conocido como RIXS, junto con el Dr. Ke-Jin Zhou en Diamond Facilities, el Reino Unido. Este nuevo experimento fue fundamental para el éxito del proyecto en general. Primero, confirmó la existencia del pico de excitón de 1,5 eV más allá de toda duda. En segundo lugar, proporcionó una guía inspiradora sobre cómo podríamos llegar a un modelo teórico y los cálculos subsiguientes. Esta conexión entre el experimento y la teoría jugó un papel fundamental para que ellos resolvieran el rompecabezas en NiPS. ₃ .

Usando el proceso analítico que se muestra arriba, El Dr. KIM Beom Hyun y el Prof. SON Young-Woo del Instituto Coreano de Estudios Avanzados llevaron a cabo cálculos teóricos masivos de muchos cuerpos. Al explorar estados cuánticos masivos por un total de 1, 500, 000 en el espacio de Hilbert, llegaron a la conclusión de que todos los resultados experimentales podrían ser consistentes con un conjunto particular de parámetros. Cuando compararon los resultados teóricos con los datos de RIXS, estaba claro que llegaron a una comprensión completa de la fase de excitón muy inusual de NiPS ₃ . Al final, el equipo podría comprender teóricamente el estado de excitón magnético de la naturaleza de muchos cuerpos, es decir., un estado de excitón cuántico genuino.

Hay varias distinciones vitales que se deben hacer sobre el excitón magnético cuántico descubierto en NiPS ₃ en comparación con el excitón más convencional que se encuentra en otros materiales 2-D y todos los demás aislantes que tienen un estado de excitón. Primero y ante todo, los excitones que se encuentran en NiPS ₃ es intrínsecamente un estado cuántico que surge de una transición de un triplete de Zhang-Rice a un singlete de Zhang-Rice. Segundo, es casi un estado de resolución limitada, indicativo de algún tipo de coherencia presente entre los estados. Para comparacion, todos los demás estados de excitón informados anteriormente son de estados extendidos de Bloch.

Probablemente sea demasiado pronto para que podamos hacer predicciones definitivas; bien podría traer el futuro del campo relacionado de las investigaciones magnéticas de van der Waals, por no hablar de nuestras vidas. Sin embargo, Incluso en este momento está claro que "La naturaleza cuántica del nuevo estado de excitón es única y atraerá mucha atención por sus potenciales en el campo de la información cuántica y la computación cuántica, por nombrar solo algunos. Nuestro trabajo abre una posibilidad interesante de que muchos materiales magnéticos de van der Waals tengan estados cuánticos de excitones similares, "explica el profesor Park.