Fizycy z MIT wykrywają różne cząstki hybrydowe za pomocą jednego intensywnego „kleju”

Ten wynalazek może utorować drogę mniejszym, szybszym urządzeniom elektronicznym.

W świecie cząstek czasami dwa są lepsze niż jeden. Weźmy na przykład pary elektronów. Kiedy dwa elektrony są połączone ze sobą, mogą prześlizgiwać się przez obiekt bez tarcia, nadając obiektowi szczególne właściwości nadprzewodzące. Taka para elektronów, czyli pary Coopera, jest rodzajem cząstki hybrydowej – mieszanina dwóch cząstek, które współpracują ze sobą o większej liczbie właściwości niż suma jej części.

Ale już Z Fizycy odkryli inny rodzaj cząstki hybrydowej w niezwykłym, dwuwymiarowym obiekcie magnetycznym. Ustalili, że hybrydowa cząstka była połączeniem elektronu i fononu (quasicząstki wytworzonej z wibrujących atomów obiektu). Kiedy zmierzyli siłę między elektronem a fononem, odkryli, że klej lub wiązanie jest 10 razy silniejsze niż jakakolwiek inna hybryda elektronowo-fononowa znana do tej pory.

Wyjątkowe wiązanie cząstek sugeruje, że ich elektron i fonon mogą być dostrojone razem; Na przykład każda zmiana elektronu musi wpłynąć na telefon i odwrotnie. W zasadzie bodźce elektroniczne, takie jak napięcie lub światło, zastosowane do cząstek hybrydowych wzbudzają elektron i mogą również wpływać na fonon, co wpływa na właściwości strukturalne lub magnetyczne obiektu. Taka podwójna kontrola pozwala naukowcom modyfikować nie tylko jej właściwości elektryczne, ale także magnetyzm poprzez przyłożenie napięcia lub światła.

Spojrzenie artysty na elektrony wbudowane w orbitale D, które silnie oddziałują z falami równoleżnikowymi (fononami). Zrazikowa struktura reprezentuje chmurę elektronową jonów niklu w NiPS3, znaną również jako orbitale. Fale emanujące z układu orbitalnego reprezentują oscylacje fononowe. Czerwone świecące linie wskazują na powstanie stanu wiązania między elektronami a drganiami latte. Źródło: Emre Erkessen

Wyniki są bardzo istotne, ponieważ zespół odkrył obecność cząstki hybrydowej w trisiarczku niklowo-fosforowym (NiPS).₃), Dwuwymiarowy obiekt wzbudził ostatnio zainteresowanie ze względu na swoje właściwości magnetyczne. Jeśli można będzie manipulować tymi właściwościami, na przykład za pomocą nowo odkrytych cząstek hybrydowych, naukowcy mają nadzieję, że pewnego dnia wynalezią nowy typ półprzewodnika magnetycznego, który będzie można przekształcić w mniejszą, szybszą i wydajniejszą energetycznie elektronikę.

Nu Kedik, profesor fizyki na MIT, powiedział: „Wyobraź sobie, że moglibyśmy wyzwolić elektron i wywołać pole magnetyczne.

Gedik i jego koledzy opublikowali swoje wyniki w numerze magazynu z 10 stycznia 2022 r. Naturalny kontakt. Jego współautorami w MIT są Emre Erkesen, Patir Ilyas, Dan Mao, Hoi Chun Po, Mehmet Brook Yilmas i Senthil Dodatri, wraz z Jungyun Kim i J-Jeon Park z Seoul National University w Korei.

Arkusze cząstek

Dziedzina współczesnej fizyki materiałów skompresowanych skupia się częściowo na poszukiwaniu interakcji obiektów w nanoskali. Takie interakcje między atomami, elektronami i innymi cząstkami subatomowymi obiektu mogą prowadzić do zaskakujących efektów, takich jak nadprzewodnictwo i inne atrakcyjne zjawiska. Fizycy szukają tych interakcji, ściskając chemikalia na powierzchni w warstwy dwuwymiarowego materiału, który może być uformowany tak cienki jak warstwa atomowa.

W 2018 roku zespół badawczy w Korei odkrył pewne nieoczekiwane interakcje w zintegrowanych arkuszach NiPS.₃, dwuwymiarowy obiekt, który staje się magnesem antyferro w bardzo niskiej temperaturze około 150 kelwinów lub -123 stopni Celsjusz. Mikrostruktura magnesu antyferro przypomina plaster miodu atomów, których pętle znajdują się naprzeciw swoich sąsiadów. Natomiast materiał ferromagnetyczny składa się z atomów z pętlami ustawionymi w tym samym kierunku.

W badaniu NiPS₃Zespół odkrył, że atrakcyjne wzbudzenie było widoczne, gdy materiał został schłodzony poniżej jego zmiany antyferromagnetycznej, chociaż dokładna natura interakcji przyczynowych nie była jasna. Inna grupa znalazła ślady cząstki hybrydowej, ale jej dokładne składniki i związek z tym egzotycznym wzbudzeniem nie były jasne.

Getty i jego koledzy wykryli hybrydową cząsteczkę i zastanawiali się, czy może ona drażnić wszystkie dwie cząsteczki, rejestrując ich charakterystyczne ruchy za pomocą lasera o dużej prędkości.

Widoczne magnetycznie

Ogólnie rzecz biorąc, ruch elektronów i innych cząstek subatomowych jest bardzo szybki, nawet przy użyciu najszybszego aparatu na świecie. Wyzwanie jest jak fotografowanie biegnącej osoby, mówi Kedik. Wynikowy obraz jest rozmazany, ponieważ migawka aparatu pozwala na uchwycenie obrazu przez światło, nie wystarczająco szybko, a osoba nadal pracuje w kadrze, zanim migawka wykona wyraźne zdjęcie.

Aby rozwiązać ten problem, zespół wykorzystał ultraszybki laser, który emituje impulsy świetlne trwające tylko 25 femtosekund (jeden femosesek na sekundę to 1 miliardowa milionowa sekundy). Podzielili impuls laserowy na dwa oddzielne impulsy i skierowali je na próbkę NiPS₃. Dwa impulsy zostały ustawione względem siebie z niewielkim opóźnieniem, wyzwalając w ten sposób pierwszą próbkę lub „kopanie” próbki, przechwytując odpowiedź drugiej próbki z rozdzielczością czasową 25 femtosekund. W ten sposób byli w stanie stworzyć ultraszybkie „filmy”, z których można było wydedukować interakcje różnych cząstek w obiekcie.

W szczególności zmierzyli dokładną ilość światła odbitego od próbki w funkcji czasu między dwoma impulsami. Jeśli istnieją cząstki hybrydowe, to odbicie musi się w pewien sposób zmienić. Stało się tak, gdy próbka została schłodzona poniżej 150 kelwinów, a materiał stał się antyferromagnetyczny.

„Ta hybrydowa cząsteczka jest widoczna tylko poniżej pewnej temperatury, gdy aktywowany jest magnetyzm” – mówi Erksen.

Aby zidentyfikować określone składniki cząstki, zespół najpierw rozróżnił kolor lub częstotliwość lasera i odkrył, że hybrydowa cząstka była widoczna, gdy występowała częstotliwość odbitego światła wokół określonego rodzaju zmiany zachodzącej podczas elektronu. Porusza się między dwoma orbitalami D. Przyjrzeli się interwałom widocznych wzorców czasowych w widmie światła odbitego i odkryli, że odpowiada on energii określonego typu fononu. To wyjaśniło, że hybrydowa cząstka zawiera elektrony orbitalne D i wzbudzenia tego konkretnego fononu.

Na podstawie swoich pomiarów opracowali więcej modeli i odkryli, że siła wiążąca elektron z elektronem jest 10 razy większa niż szacowana w przypadku innych znanych hybryd elektronowo-fononowych.

„Jednym z możliwych sposobów wykorzystania tych hybrydowych cząstek jest umożliwienie jednemu składnikowi połączenia, a drugiemu pośrednia transformacja” – mówi Elias. „W ten sposób możesz zmienić właściwości obiektu, takie jak stan magnetyczny systemu”.

Uwaga: Emre Erkesen, Patir Ilyas, Dan Mao, Hoi Chun Po, Mehmet Brook Yilmas, Jungyun Kim, J-Kyun Park, zm. Senthil i Nuh Kedik „Magnetycznie oświetlone ciemne pozycje wiązania elektronów z fononami w magnesie Van der Waals Antifero” 10 stycznia 2022 r., Naturalny kontakt.
DOI: 10.1038 / s41467-021-27741-3

Badania zostały częściowo wsparte przez Departament Energii USA oraz Fundację Gordona & Betty Moore.