Les choses peuvent toujours être faites plus rapidement, mais est-ce que quelque chose peut battre la lumière ? L'informatique avec la lumière au lieu de l'électricité est considérée comme une percée pour augmenter la vitesse des ordinateurs. Transistors, les éléments constitutifs des circuits de données, sont nécessaires pour transformer des signaux électriques en lumière afin de transmettre les informations via un câble à fibre optique. L'informatique optique pourrait potentiellement économiser le temps et l'énergie utilisés pour une telle conversion. En plus de la transmission à grande vitesse, Les propriétés exceptionnelles de faible bruit des photons les rendent idéales pour explorer la mécanique quantique. Au cœur de ces applications convaincantes se trouve la garantie d'une source lumineuse stable, surtout dans un état quantique.

Lorsque la lumière est projetée sur les électrons d'un cristal semi-conducteur, un électron de conduction peut se combiner avec un trou chargé positivement dans le semi-conducteur pour créer un état lié, le soi-disant exciton. Coulant comme des électrons mais émettant de la lumière lorsque la paire électron-trou se reconstitue, les excitons pourraient accélérer l'ensemble des circuits de transmission de données. En outre, de nombreuses phases physiques exotiques comme la supraconductivité sont supposées être des phénomènes résultant des excitons. Malgré la richesse des prédictions théoriques exotiques et sa longue histoire (rapportée pour la première fois dans les années 1930), une grande partie de la physique concernant les excitons a principalement porté sur son concept initial de liaison «simple» d'un électron et d'un trou, rarement mis à jour à partir des découvertes des années 1930.

Dans le dernier numéro de la revue La nature , une équipe de recherche dirigée par le professeur Park Je-Geun du Département de physique et d'astronomie, Université nationale de Séoul—auparavant directeur associé du Center for Correlated Electron Systems au sein de l'Institute for Basic Science (IBS, Corée du Sud) - a trouvé un nouveau type d'exciton dans le matériau magnétique de van der Waals, NiPS 3 . « Pour héberger un état aussi nouveau de la physique des excitons, cela nécessite une bande interdite directe et surtout, ordre magnétique avec une forte corrélation quantique. Notamment, cette étude rend ce dernier possible avec NiPS 3 , un matériau magnétique van der Waals, un système intrinsèquement corrélé, " note le professeur Park Je-Geun, auteur correspondant de l'étude. Le groupe du professeur Park a signalé la première réalisation de matériaux magnétiques exacts de van der Waals en 2D à l'aide de NiPS 3 en 2016. Utilisant le même matériau, ils ont démontré que NiPS 3 héberge un état d'exciton magnétique complètement différent des excitons plus conventionnels connus à ce jour. Cet état exciton est intrinsèquement d'origine à plusieurs corps, qui est une réalisation réelle d'un véritable état quantique. En tant que tel, ce nouveau travail signale un changement significatif dans le domaine dynamique de la recherche au cours de ses 80 ans d'histoire.

Cette physique inhabituelle des excitons dans NiPS 3 a commencé avec des pics étrangement élevés repérés dans les premières expériences de PL (photoluminescence) réalisées en 2016 par le professeur Cheong Hyeonsik de l'Université de Sogang. Elle a été rapidement suivie par une autre expérience d'absorption optique réalisée par le professeur Kim Jae Hoon de l'Université de Yonsei. Les deux ensembles de données optiques ont clairement indiqué deux points d'importance significative :l'un est la dépendance à la température et l'autre la nature résonante extrêmement étroite de l'exciton.

Pour comprendre les résultats inhabituels, Le professeur Park a utilisé une technique de diffusion des rayons X inélastique par résonance, connu sous le nom de RIXS, avec le Dr Ke-Jin Zhou aux installations diamantifères, la Grande-Bretagne. Cette nouvelle expérience était essentielle à la réussite de l'ensemble du projet. D'abord, il a confirmé sans aucun doute l'existence du pic d'exciton de 1,5 eV. Deuxièmement, il a fourni un guide inspirant sur la façon dont nous pouvions élaborer un modèle théorique et les calculs qui en découlent. Ce lien entre l'expérience et la théorie a joué un rôle central pour qu'ils résolvent le puzzle dans NiPS 3 .

En utilisant le processus analytique indiqué ci-dessus, Le Dr KIM Beom Hyun et le professeur SON Young-Woo du Korea Institute for Advanced Study ont effectué des calculs théoriques massifs à N corps. En explorant des états quantiques massifs totalisant 1, 500, 000 dans l'espace Hilbert, ils ont conclu que tous les résultats expérimentaux pouvaient être cohérents avec un ensemble particulier de paramètres. Lorsqu'ils ont comparé les résultats théoriques avec les données du RIXS, il était clair qu'ils étaient parvenus à une compréhension complète de la phase d'excitons très inhabituelle de NiPS 3 . Enfin, l'équipe pourrait théoriquement comprendre l'état d'exciton magnétique de la nature à plusieurs corps, c'est à dire., un véritable état d'exciton quantique.

Il y a plusieurs distinctions vitales à faire à propos de l'exciton magnétique quantique découvert dans NiPS 3 par rapport à l'exciton plus conventionnel trouvé dans d'autres matériaux 2-D et tous les autres isolants ayant un état d'exciton. Tout d'abord, les excitons trouvés dans NiPS 3 est intrinsèquement un état quantique résultant d'une transition d'un triplet de Zhang-Rice à un singulet de Zhang-Rice. Seconde, c'est presque un état à résolution limitée, révélateur d'une certaine cohérence entre les États. En comparaison, tous les autres états d'excitons rapportés précédemment proviennent d'états de Bloch étendus.

Il est probablement trop tôt pour que nous puissions faire des prédictions définitives; cela pourrait aussi bien apporter l'avenir du domaine connexe des recherches magnétiques de van der Waals, sans parler de nos vies. Cependant, il est clair même à ce moment que "La nature quantique du nouvel état d'exciton est unique et attirera beaucoup d'attention pour ses potentiels dans le domaine de l'information quantique et de l'informatique quantique, pour n'en citer que quelques-uns. Notre travail ouvre une possibilité intéressante de nombreux matériaux magnétiques de van der Waals ayant des états d'excitons quantiques similaires, " explique le professeur Park.