[손수한 박사/이유진 학생/박제근 교수] 자성 반데르발스 물질 NiI2에서 양자 얽힘 자기 엑시톤 발견 (Advanced Materials 게재)
Multiferroic Enabled Magnetic‐exciton in 2D Quantum Entangled van der Waals Antiferromagnet NiI2
물질과 빛의 상호작용은 양자광학부터 응집물질물리학에 이르기까지 다양한 연구 분야의 중심에 있으며 레이저 물리학과 같은 새로운 분야를 개척하고 있다. 그 중, 자기 엑시톤은 자기 절연체에서 발견되는 매우 드문 예 중 하나이다. 우리는 다중강성의 깨진 반전 대칭성이 (Broken Inversion symmetry) 반데르발스 반강자성체인 NiI2에서 자기 엑시톤을 활성화한다는 것을 발견하였다. 또한 이 자기 엑시톤이 Zhang-Rice-triplet과 Zhang-Rice-singlet의 양자 얽힘 상태 사이의 전이에서 발생한다는 것을 발견했다. 이 양자 얽힘은 5 meV 선폭으로 1.384 eV에서 매우 뾰족한 광학 엑시톤 피크를 생성하였다. 우리의 연구는 NiI2가 본질적으로 양자 얽힘 바닥 상태를 가지고 있는 2차원 자성체라는 것을 보여준다.
Abstract: Matter‐light interaction is at the center of diverse research fields from quantum optics to condensed matter physics, opening new fields like laser physics. A magnetic exciton is one such rare example found in magnetic insulators. However, it is relatively rare to observe that external variables control matter‐light interaction. Here, we report that the broken inversion symmetry of multiferroicity can act as an external knob enabling the magnetic exciton in van der Waals antiferromagnet NiI2. We further discover that this magnetic exciton arises from a transition between Zhang‐Rice‐triplet and Zhang‐Rice‐singlet's fundamentally quantum entangled states. This quantum entanglement produces an ultra‐sharp optical exciton peak at 1.384 eV with a 5 meV linewidth. Our work demonstrates that NiI2 is two‐dimensional magnetically ordered with an intrinsically quantum entangled ground state.