As coisas sempre podem ser feitas mais rápido, mas alguma coisa pode vencer a luz? Computando com luz em vez de eletricidade é visto como um avanço para aumentar a velocidade do computador. Transistores, os blocos de construção dos circuitos de dados, são necessários para transformar sinais elétricos em luz, a fim de transmitir as informações por meio de um cabo de fibra óptica. A computação óptica pode potencialmente economizar o tempo e a energia usados ​​para tal conversão. Além da transmissão de alta velocidade, as excelentes propriedades de baixo ruído dos fótons os tornam ideais para explorar a mecânica quântica. No centro de tais aplicações atraentes está a garantia de uma fonte de luz estável, especialmente em um estado quântico.

Quando a luz incide sobre os elétrons em um cristal semicondutor, um elétron de condução pode se combinar com um orifício carregado positivamente no semicondutor para criar um estado ligado, o chamado exciton. Fluindo como elétrons, mas emitindo luz quando o par elétron-buraco se reúne novamente, excitons podem acelerar os circuitos gerais de transmissão de dados. Além disso, muitas fases físicas exóticas, como a supercondutividade, são especuladas como fenômenos decorrentes de excitons. Apesar da riqueza de previsões teóricas exóticas e de sua longa história (relatada pela primeira vez na década de 1930), muito da física a respeito de excitons tem sido principalmente sobre seu conceito inicial de ligação "simples" de um elétron e um buraco, raramente atualizado a partir de descobertas da década de 1930.

Na última edição da revista Natureza , uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Park Je-Geun do Departamento de Física e Astronomia, Universidade Nacional de Seul - anteriormente Diretor Associado do Centro de Sistemas Eletrônicos Correlacionados do Instituto de Ciências Básicas (IBS, Coreia do Sul) - encontrou um novo tipo de exciton no material magnético de van der Waals, NiPS ₃ . "Para hospedar um estado tão novo de uma física exciton, requer um bandgap direto e o mais importante, ordem magnética com forte correlação quântica. Notavelmente, este estudo torna o último possível com NiPS ₃ , um material magnético de van der Waals, um sistema intrinsecamente correlacionado, "observa o professor Park Je-Geun, autor correspondente do estudo. O grupo do Prof. Park relatou a primeira realização de materiais magnéticos 2-D van der Waals usando NiPS ₃ em 2016. Usando o mesmo material, eles demonstraram que o NiPS ₃ hospeda um estado de excitons magnéticos completamente diferente dos excitons mais convencionais conhecidos até agora. Este estado exciton é intrinsecamente de origem em muitos corpos, que é uma realização real de um estado quântico genuíno. Como tal, este novo trabalho sinaliza uma mudança significativa no vibrante campo de pesquisa em seus 80 anos de história.

Esta excitação física incomum no NiPS ₃ começou com picos bizarramente altos detectados nos primeiros experimentos de PL (fotoluminescência) feitos em 2016 pelo Prof. Cheong Hyeonsik da Universidade de Sogang. Foi logo seguido por outro experimento de absorção óptica feito pelo Prof. Kim Jae Hoon da Universidade Yonsei. Ambos os conjuntos de dados ópticos indicaram claramente dois pontos de importância significativa:um é a dependência da temperatura e o outro, a natureza ressonante extremamente estreita do exciton.

Para entender as descobertas incomuns, O Prof. Park usou uma técnica de espalhamento de raios-X inelástica ressonante, conhecido como RIXS, junto com o Dr. Ke-Jin Zhou nas Instalações Diamante, o Reino Unido. Este novo experimento foi fundamental para o sucesso do projeto geral. Primeiro, ele confirmou a existência do pico de exciton de 1,5 eV sem qualquer dúvida. Em segundo lugar, forneceu um guia inspirador sobre como poderíamos chegar a um modelo teórico e os cálculos que se seguiram. Esta conexão entre experimento e teoria desempenhou um papel fundamental para eles resolverem o quebra-cabeça no NiPS ₃ .

Usando o processo analítico mostrado acima, O Dr. KIM Beom Hyun e o Prof. SON Young-Woo do Instituto Coreano de Estudos Avançados realizaram cálculos teóricos massivos de muitos corpos. Explorando estados quânticos massivos totalizando 1, 500, 000 no espaço de Hilbert, eles concluíram que todos os resultados experimentais podem ser consistentes com um determinado conjunto de parâmetros. Quando eles compararam os resultados teóricos com os dados RIXS, ficou claro que eles chegaram a um entendimento completo da fase incomum de exciton do NiPS ₃ . Afinal, a equipe poderia teoricamente entender o estado de excitons magnéticos da natureza de muitos corpos, ou seja, um estado de exciton quântico genuíno.

Existem várias distinções vitais a serem feitas sobre o exciton magnético quântico descoberto no NiPS ₃ em comparação com o exciton mais convencional encontrado em outros materiais 2-D e todos os outros isoladores tendo um estado de exciton. Em primeiro lugar, os excitons encontrados no NiPS ₃ é intrinsecamente um estado quântico que surge de uma transição de um tripleto Zhang-Rice para um singuleto Zhang-Rice. Segundo, é quase um estado de resolução limitada, indicativo de algum tipo de coerência presente entre os estados. Para comparação, todos os outros estados excitons relatados antes são de estados Bloch estendidos.

Provavelmente é muito cedo para fazermos previsões definitivas; pode muito bem trazer o futuro do campo relacionado de pesquisas magnéticas de van der Waals, para não mencionar nossas vidas. Contudo, está claro, mesmo neste momento, que "A natureza quântica do novo estado de exciton é única e atrairá muita atenção por seus potenciais no campo da informação quântica e computação quântica, para citar apenas alguns. Nosso trabalho abre uma possibilidade interessante de muitos materiais magnéticos de van der Waals com estados de excitons quânticos semelhantes, "explica o professor Park.