Fizycy z MIT odkrywają dziwne cząsteczki hybrydowe uwięzione razem przez supergęsty „klej”

Odkrycie może zapewnić drogę do mniejszych, szybszych urządzeń elektronicznych.

W świecie cząstek czasami dwa są lepsze niż jeden. Weźmy na przykład pary elektronów. Kiedy dwa elektrony łączą się ze sobą, mogą przesuwać się przez materiał bez tarcia, nadając materiałowi właściwości nadprzewodzące. Te podwójne elektrony, lub pary Coopera, są rodzajem cząstki hybrydowej – złożonej z dwóch cząstek, które zachowują się jak pojedyncza cząstka, o właściwościach większych niż suma jej części.

teraz z Fizycy odkryli inny rodzaj cząstek hybrydowych w niezwykłym dwuwymiarowym materiale magnetycznym. Ustalili, że cząsteczka hybrydowa jest mieszaniną elektronu i fononu (quasi-cząsteczki wytworzonej z atomów wibrującego materiału). Kiedy zmierzyli siłę między elektronem a fononem, odkryli, że guma lub wiązanie jest dziesięć razy silniejsze niż jakakolwiek inna hybryda elektronowo-fononowa znana do tej pory.

Wyjątkowe wiązanie cząstki wskazuje, że elektron i fonon cząstki można dostroić obok siebie; Na przykład każda zmiana elektronu powinna wpłynąć na fonon i na odwrót. Zasadniczo wzbudzenie elektronowe, takie jak napięcie lub światło, przyłożone do cząstki hybrydowej może wzbudzać elektron w normalny sposób, a także wpływa na fonon, wpływając na strukturalne lub magnetyczne właściwości materiału. Taka podwójna kontrola mogłaby umożliwić naukowcom przyłożenie napięcia lub światła do materiału w celu dostrojenia nie tylko jego właściwości elektrycznych, ale także magnetyzmu.

Wrażenie artysty elektronów zlokalizowanych na orbitalach d silnie oddziałujących z siatkowymi falami wibracyjnymi (fononami). Płatowa struktura przedstawia chmurę elektronową jonów niklu w NiPS3, znaną również jako orbitale. Fale emitowane przez strukturę orbitalną reprezentują drgania fononowe. Czerwone świecące linie wskazują na powstanie stanu skojarzonego między elektronami a drganiami sieci. Źródło: Emre Ergecin

Szczególnie istotne były wyniki, ponieważ zespół zidentyfikował hybrydową cząstkę trisiarczku niklowo-fosforowego (NiPS).₃), dwuwymiarowy materiał, który ostatnio przyciągnął uwagę ze względu na swoje właściwości magnetyczne. Jeśli tymi właściwościami można manipulować, na przykład za pomocą nowo odkrytych cząstek hybrydowych, naukowcy są przekonani, że pewnego dnia materiał może być użyteczny jako nowy typ półprzewodnika magnetycznego, z którego można będzie stworzyć mniejszą, szybszą i bardziej energooszczędną elektronikę.

„Wyobraźmy sobie, że moglibyśmy wzbudzić elektron i reakcję magnetyzmu” – mówi Noh Gedik, profesor fizyki na MIT. „Wtedy możesz sprawić, że urządzenia będą zupełnie inne od tego, jak działają dzisiaj”.

Jedek i współpracownicy opublikowali swoje wyniki 10 stycznia 2022 r. w czasopiśmie Komunikacja przyrodnicza. Współautorami są Emre Ergesen, Patir Elias, Dan Mao, Hui Chun-bo, Mehmet Burak Yilmaz i Senthil Todadri z MIT, a także Junghyun Kim i Je-Geun Park z Seoul National University w Korei.

arkusze cząstek

Dziedzina współczesnej fizyki materii skondensowanej koncentruje się częściowo na badaniu interakcji w materii w nanoskali. Takie interakcje między atomami materii, elektronami i innymi cząstkami subatomowymi mogą prowadzić do zaskakujących wyników, takich jak nadprzewodnictwo i inne dziwne zjawiska. Fizycy szukają tych interakcji, kondensując chemikalia na powierzchniach, tworząc arkusze dwuwymiarowych materiałów, które mogą być tak cienkie jak pojedyncza warstwa atomowa.

W 2018 roku grupa badawcza w Korei odkryła nieoczekiwane interakcje w panelach kompozytowych NiPS₃, dwuwymiarowy materiał, który staje się antymagnetyczny w bardzo niskich temperaturach około 150 K, czyli -123 stopni Celsjusz. Mikrostruktura antymagnesu przypomina sieć atomów o strukturze plastra miodu, kręcących przeciw wirowaniu słoików. Natomiast materiał ferromagnetyczny składa się z atomów, które obracają się w jednym kierunku.

W NiPS فحص test₃, grupa ta odkryła, że ​​dziwne wzbudzenie stało się widoczne, gdy materiał ochłodził swoje antymagnetyczne przejście, chociaż dokładna natura odpowiedzialnych za nie interakcji nie była jasna. Inna grupa znalazła ślady cząstki hybrydowej, ale jej dokładne składniki i związek z tym dziwnym wzbudzeniem również nie były jasne.

Gidick i jego koledzy zastanawiali się, czy mogą wykryć hybrydową cząsteczkę i wydobyć dwie cząsteczki, które tworzą całość, rejestrując ich charakterystyczne ruchy za pomocą ultraszybkiego lasera.

magnetycznie widoczny

Ruch elektronów i innych cząstek subatomowych jest zwykle bardzo szybki do sfotografowania, nawet przy użyciu najszybszego aparatu na świecie. Wyzwanie jest jak zrobienie zdjęcia biegnącej osobie, mówi Gedek. Wynikowy obraz jest rozmazany, ponieważ migawka, która umożliwia uchwycenie obrazu, nie jest wystarczająco szybka, a osoba nadal pracuje w kadrze, zanim migawka będzie mogła zrobić wyraźne zdjęcie.

Aby obejść ten problem, zespół wykorzystał ultraszybki laser, który emituje impulsy światła trwające zaledwie 25 femtosekund (jedna femtosekunda to jedna milionowa miliardowej części sekundy). Dzielą impuls laserowy na dwa oddzielne impulsy i kierują je do próbki NiPS₃. Dwa impulsy są ustawiane z niewielkim opóźnieniem względem siebie, tak że pierwszy stymuluje lub „kopie” próbkę, a drugi przechwytuje odpowiedź próbki z rozdzielczością czasową 25 femtosekund. W ten sposób byli w stanie stworzyć ultraszybkie „filmy”, z których można było wywnioskować interakcje różnych cząstek w materii.

W szczególności zmierzyli dokładną ilość światła odbitego od próbki w funkcji czasu między dwoma impulsami. To odbicie musi się w pewien sposób zmienić w przypadku cząsteczek hybrydowych. Okazało się, że tak się stało, gdy próbka została schłodzona poniżej 150 stopni Kelvina, kiedy materiał staje się antymagnetyczny.

„Odkryliśmy, że ta hybrydowa cząsteczka była widoczna tylko w określonej temperaturze, gdy włączony był magnetyzm” – mówi Ergeçen.

Aby określić konkretne składniki cząstki, zespół zmienił kolor lub częstotliwość pierwszego lasera i odkrył, że hybrydowa cząstka była widoczna, gdy częstotliwość odbitego światła była wokół określonego typu przejścia, o którym wiadomo, że występuje jako elektron poruszający się między dwa orbitale d. Przyjrzeli się również odstępom widzialnego wzoru okresowego w widmie światła odbitego i odkryli, że odpowiada on energii określonego typu fononu. Pokazuje to, że cząstka hybrydowa powstaje w wyniku wzbudzenia elektronów orbitalnych d i tego specyficznego fononu.

Na podstawie swoich pomiarów wykonali dodatkowe modelowanie i odkryli, że siła wiążąca elektron z fononem jest około 10 razy silniejsza niż w przypadku innych hybryd elektronowo-fononowych.

„Jednym z potencjalnych sposobów wykorzystania tej hybrydowej cząstki jest umożliwienie sparowania jednego komponentu i pośredniego dostrojenia drugiego” – mówi Elias. „W ten sposób możesz zmienić właściwości materiału, takie jak stan magnetyczny systemu”.

Odniesienie: „Magnetycznie oświetlone stany wiązania ciemnego elektronu i fononu w lewitacji magnetycznej van der Waalsa” autorstwa Emre Ergesen, Patir Elias, Dan Mao, Hui Chun-bo, Mehmet Burak Yilmaz, Jonghyun Kim, Jeon Park, T. Senthel i Noh Gedik , Kanon 10 2 (styczeń) 2022 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038 / s41467-021-27741-3

Badania te były częściowo wspierane przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych oraz Fundację Gordona i Betty Moore.