Fyzici z Massachusettského technologického inštitútu objavili hybridnú časticu v nezvyčajnom dvojrozmernom magnetickom materiáli. Hybridná častica je zmesou elektrónu a fonónu. Poďakovanie: Kristen Danilov, MIT

Objav by mohol poskytnúť cestu k menším a rýchlejším elektronickým zariadeniam.

Vo svete častíc sú niekedy dva lepšie ako jeden. Vezmime si napríklad elektrónové páry. Keď sa dva elektróny spoja, môžu kĺzať materiálom bez trenia, čo dáva materiálu supravodivé vlastnosti. Tieto dvojité elektróny alebo Cooperove páry sú typom hybridnej častice – zlúčeniny dvoch častíc, ktoré sa správajú ako jedna častica, s vlastnosťami väčšími ako súčet jej častí.

práve teraz s Fyzici objavili ďalší typ hybridnej častice v nezvyčajnom dvojrozmernom magnetickom materiáli. Zistili, že hybridná častica je zmesou elektrónu a fonónu (kvázi častica vyrobená z atómov vibrujúceho materiálu). Keď zmerali silu medzi elektrónom a fonónom, zistili, že guma alebo väzba je 10-krát silnejšia ako akýkoľvek iný doteraz známy hybrid elektrónu a fonónu.

Výnimočná väzba častice naznačuje, že elektrón a fonón častice môžu byť ladené vedľa seba; Napríklad akákoľvek zmena v elektróne by mala ovplyvniť fonón a naopak. Elektronické budenie, ako je napätie alebo svetlo, aplikované na hybridnú časticu, môže v zásade excitovať elektrón tak, ako by to bolo normálne, a tiež ovplyvňuje fonón, čo ovplyvňuje štrukturálne alebo magnetické vlastnosti materiálu. Takáto dvojitá kontrola by mohla umožniť vedcom aplikovať napätie alebo svetlo na materiál, aby vyladili nielen jeho elektrické vlastnosti, ale aj jeho magnetizmus.

Umelecký dojem elektrónov lokalizovaných v d orbitáloch silne interagujúcich s mriežkovými vibračnými vlnami (fonóny). Lobovitá štruktúra zobrazuje elektrónový oblak iónov niklu v NiPS3, tiež známy ako orbitály. Vlny emitované orbitálnou štruktúrou predstavujú fonónové vibrácie. Červené žiariace čiary naznačujú vytvorenie súvisiaceho stavu medzi elektrónmi a vibráciami mriežky. Poďakovanie: Emre Ergecin

Výsledky boli obzvlášť dôležité, pretože tím identifikoval hybridnú časticu sulfidu nikelnatého a fosforu (NiPS).₃), dvojrozmerný materiál, ktorý nedávno pritiahol pozornosť pre svoje magnetické vlastnosti. Ak sa tieto vlastnosti dajú manipulovať, napríklad prostredníctvom novoobjavených hybridných častíc, vedci sa domnievajú, že materiál by jedného dňa mohol byť užitočný ako nový typ magnetického polovodiča, z ktorého možno vyrobiť menšiu, rýchlejšiu a energeticky účinnejšiu elektroniku.

„Predstavte si, že by sme dokázali vybudiť elektrón a odozvu magnetizmu,“ hovorí Noh Gedik, profesor fyziky na MIT. „Potom môžete urobiť zariadenia úplne odlišné od toho, ako fungujú dnes.“

Jedek a kolegovia zverejnili svoje výsledky 10. januára 2022 v časopise Prírodné komunikácie. Medzi spoluautorov patria Emre Ergesen, Patir Elias, Dan Mao, Hui Chun-bo, Mehmet Burak Yilmaz a Senthil Todadri z MIT spolu s Junghyunom Kimom a Je-Geun Parkom zo Soulskej národnej univerzity v Kórei.

časticové listy

Oblasť modernej fyziky kondenzovaných látok je čiastočne zameraná na výskum interakcií v hmote v nanoúrovni. Takéto interakcie medzi atómami hmoty, elektrónmi a inými subatomárnymi časticami môžu viesť k prekvapivým výsledkom, ako je supravodivosť a iné zvláštne javy. Fyzici hľadajú tieto interakcie kondenzáciou chemikálií na povrchoch, aby vytvorili listy dvojrozmerných materiálov, ktoré môžu byť tenké ako jedna atómová vrstva.

V roku 2018 výskumná skupina v Kórei objavila niekoľko neočakávaných interakcií v kompozitných paneloch NiPS₃, dvojrozmerný materiál, ktorý sa stáva antimagnetickým pri veľmi nízkych teplotách okolo 150 K alebo -123 stupňov Celzia. Mikroštruktúra antimagnetu pripomína voštinovú sieť atómov, ktoré otáčajú svoje nádoby proti otáčaniu. Naproti tomu feromagnetický materiál pozostáva z atómov, ktoré rotujú zarovnané v rovnakom smere.

V teste NiPS فحص₃Táto skupina zistila, že podivná excitácia sa stala viditeľnou, keď materiál ochladil svoj antimagnetický prechod, hoci presná povaha zodpovedných interakcií nebola jasná. Iná skupina našla znaky hybridnej častice, no jasné neboli ani jej presné zložky a vzťah k tejto podivnej excitácii.

Gidick a jeho kolegovia uvažovali, či dokážu detekovať hybridnú časticu a vyvolať dve častice, ktoré tvoria celok, zachytením ich charakteristických pohybov ultrarýchlym laserom.

magneticky viditeľné

Pohyb elektrónov a iných subatomárnych častíc je zvyčajne veľmi rýchly na fotografovanie, dokonca aj s najrýchlejším fotoaparátom na svete. Výzva je ako odfotiť niekoho, kto beží, hovorí Gedek. Výsledný obraz je rozmazaný, pretože uzávierka, ktorá umožňuje svetlu zachytiť obraz, nie je dostatočne rýchla a osoba stále pracuje v zábere, kým uzávierka stihne urobiť jasný obrázok.

Na obídenie tohto problému tím použil ultrarýchly laser, ktorý vyžaruje pulzy svetla trvajúce iba 25 femtosekúnd (jedna femtosekunda je milióntina miliardtiny sekundy). Rozdelia laserový impulz na dva samostatné impulzy a nasmerujú ich na NiPS vzorku₃. Dva impulzy sú nastavené s miernym oneskorením od seba tak, že prvý stimuluje, čiže „nakopáva“ vzorku, a druhý zachytáva odozvu vzorky s časovým rozlíšením 25 femtosekúnd. Dokázali tak vytvárať ultrarýchle „filmy“, z ktorých sa dali usudzovať na interakcie rôznych častíc v hmote.

Konkrétne merali presné množstvo svetla odrazeného od vzorky ako funkciu času medzi týmito dvoma impulzmi. Tento odraz sa musí v prípade hybridných molekúl určitým spôsobom zmeniť. To sa ukázalo v prípade, keď bola vzorka ochladená pod 150 stupňov Kelvina, keď sa materiál stal antimagnetickým.

„Zistili sme, že táto hybridná častica bola viditeľná len pri určitej teplote, keď bol zapnutý magnetizmus,“ hovorí Ergeçen.

Na určenie špecifických zložiek častice tím zmenil farbu alebo frekvenciu prvého lasera a zistil, že hybridná častica bola viditeľná, keď frekvencia odrazeného svetla bola okolo špecifického typu prechodu, o ktorom je známe, že sa vyskytuje ako elektrón pohybujúci sa medzi dva d orbitály. Pozreli sa tiež na rozstup viditeľného periodického vzoru v rámci spektra odrazeného svetla a zistili, že sa zhoduje s energiou konkrétneho typu fonónu. To ukazuje, že hybridná častica vzniká excitáciou d orbitálnych elektrónov a tohto špecifického fonónu.

Urobili nejaké ďalšie modelovanie na základe svojich meraní a zistili, že sila viažuca elektrón k fonónu je asi 10-krát silnejšia, ako sa odhadovalo pre iné hybridy elektrónu a fonónu.

„Jedným z potenciálnych spôsobov, ako využiť túto hybridnú časticu, je to, že vám umožní spárovať jeden komponent a nepriamo vyladiť druhý,“ hovorí Elias. „Týmto spôsobom môžete zmeniť vlastnosti materiálu, ako je magnetický stav systému.“

Referencia: „Magneticky osvetlené tmavé elektrón-fonónové väzbové stavy vo van der Waalsovej magnetickej levitácii“ od Emre Ergesen, Patir Elias, Dan Mao, Hui Chun-bo, Mehmet Burak Yilmaz, Jonghyun Kim, Jeon Park, T. Sentel a Noh Gedik , Kánon 10 2. (január) 2022, Prírodné komunikácie.
DOI: 10.1038 / s41467-021-27741-3

Tento výskum čiastočne podporilo americké ministerstvo energetiky a nadácia Gordona a Betty Mooreovcov.