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Department of Physics & Astronomy

[강순민 박사/박제근 교수] 자성 반데르발스 NiPS3에서 양자 얽힌 새로운 엑시톤 발견 (Nature 논문 게재)

2020-07-22l 조회수 1791

Coherent many-body exciton in van der Waals antiferromagnet NiPS3

2차원 자성 반데르발스 물질인 NiPS3에서 기존에 발견된 적이 없는 새로운 형태의 엑시톤을 발견하였다. 이 엑시톤은 강한 결맞음성을 보이고, 자성을 띠는 스핀자유도가 양자적으로 얽힌 매우 특이한 형태이다. 다체이론계산을 통해서 이 엑시톤이 그동안 이론적으로만 알려진 쟝-라이스 양자다체상태에 의한 것임을 발견하였다. 2차원 자성체는 물론이고, 지금까지 이렇게 다체상태에 의해 스핀 얽힌 엑시톤은 발견된 적이 없어, 매우 획기적인 발견이라고 할 수 있다.

Excitons are the composite particles of an electron-hole pair and rarely observed for many-body states with strong correlation. Here we show that a rare spin-orbital entangled exciton state appears below TN=150 K in NiPS3, an antiferromagnetic (AFM) van der Waals (vdW) material. It arises intrinsically from the archetypal many-body states of Zhang-Rice singlet (ZRS) and reach a coherent state assisted by the AFM order. By combining three spectroscopic tools: resonant inelastic X-ray scattering, photoluminescence, and optical absorption, we demonstrate that this exciton not only exists in NiPS3 but also becomes extremely narrow below 50 K. Using a configuration-interaction theory, we identified the coherent excitonic excitations as arising from a Zhang-Rice triplet to ZRS transition, i.e., a spin-orbital entangled exciton. This discovery of the spin-orbital entangled exciton in AFM vdW NiPS3 opens up a new window of novel opportunities by allowing the manipulation of the new quantum state with real material.

참여 연구원: 강순민, 이성민, 박기수, 윤석환, 김태훈, 이기훈, 정재홍, 박제근

Link1: https://rdcu.be/b5JCD