用光代替電進行計算被認為是提高計算機速度的突破。電晶體是數據電路的基礎，需要將電信號轉換為光，以便通過光纜傳輸信息。光學計算可以潛在地節省用於這種轉換的時間和能量。除了高速傳輸外，光子還具有出色的低噪聲特性，使其成為探索量子力學的理想之選。這種引人注目的應用的核心是確保穩定的光源，尤其是在量子狀態下。
當光照射到半導體晶體中的電子上時，傳導電子可以與半導體中帶正電的空穴結合以形成束縛態，即所謂的激子。激子像電子一樣流動，但是當電子空穴對重新聚在一起時發光，激子可以加快整個數據傳輸電路的速度。此外，許多外來物理相（例如超導）是激子產生的現象。儘管有豐富的理論預測和悠久的歷史（最早在1930年代報導），但有關激子的許多物理學主要是關於電子和空穴「簡單」結合的最初概念，很少從1930年代電子學的發現中得到更新。
在今天最新一期的《自然》雜誌上，由首爾國立大學物理與天文學系的Je-Geun Park教授領導的研究小組，在磁性範德華材料NiPS3中發現了一種新型激子。
如圖所示的磁性範德華茲材料NiPS3中發現的量子激子。a（上）NiPS3的晶體結構；b（下）為NiPS3提出的激子態。
Park指出， 「要掌握激子物理學的這種新狀態，需要直接的帶隙，最重要的是，具有強量子相關性的磁階。值得注意的是，這項研究使後者可以利用固有的相關性的範德華磁性材料NiPS3系統」。
Park教授的研究小組在2016年報告了使用NiPS3首次實現精確的二維磁性範德華材料。使用相同的材料，他們證明了NiPS3具有與迄今已知的更常規的激子完全不同的磁激子狀態。該激子態本質上是多體起源的，這是真正量子態的實際實現。因此，這項新工作標誌著其80年歷史中充滿活力的研究領域發生了重大變化。如圖所示NiPS3的PL和光吸收數據均具有清晰分辨的接近1.5 eV的峰。
為了理解這一不尋常的發現，Park教授與英國鑽石設施的研究人員一起使用了共振非彈性X射線散射技術（resonant inelastic X-ray scattering technique，縮寫：RIXS）。這項新實驗對整個項目的成功至關重要。首先，它毫無疑問地確認了1.5 eV激子峰的存在。其次，它為我們如何提出理論模型和隨後的計算提供了啟發性的指導。實驗與理論之間的這種聯繫對於他們破解NiPS3中的難題起到了關鍵作用。
使用上述分析過程，研究團隊進行了大量的理論多體計算。通過探索希爾伯特空間中總計150萬的大量量子態，他們得出結論，所有實驗結果都可以與一組特定參數保持一致。當他們將理論結果與共振非彈性X射線散射技術（RIXS）數據進行比較時，很明顯，他們充分了解了NiPS3的非常不尋常的激子相。最後，研究小組從理論上可以理解多體性質的磁激子狀態，即真正的量子激子狀態。如圖所示磁性範德華茲材料NiPS3中發現的量子激子。a（上）NiPS3的XAS和RIXS數據；b（中和下）NiPS3積分：IBS的RIXS過程示意圖。
與在其他二維材料和所有其他具有激子狀態的絕緣子中發現的更常規的激子相比，在NiPS3中發現的量子磁激子有幾個重要的區別。首先，在NiPS3中發現的激子本質上是一種量子態，是由張-萊斯三重態（Zhang-Rice triplet）向張-萊斯單重態（Zhang-Rice singlet）的轉變產生的。其次，它幾乎是一個解析度受限的狀態，表示狀態之間存在某種一致性。為了進行比較，以前報告的所有其他激子狀態都來自擴展的布洛赫狀態。
Park表示，該研究可能帶動範德華磁研究的相關領域的未來。但是很清楚的是：「新激子態的量子性質是獨特的，並且由於其在量子信息和量子計算領域的潛力而將吸引很多關注，該研究開啟了許多具有相似量子激子態的磁性範德華材料的可能前景。」
參考：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.量子認知 | 簡介科學新知識，敬請熱心來關注。