Физики Массачусетского технологического института обнаружили странные гибридные частицы, захваченные сверхплотным «клеем»

Открытие может открыть путь к меньшим и более быстрым электронным устройствам.

В мире частиц иногда два лучше, чем один. Возьмем, к примеру, электронные пары. Когда два электрона связаны вместе, они могут скользить сквозь материал без трения, что придает материалу сверхпроводящие свойства. Эти двойные электроны, или куперовские пары, представляют собой тип гибридной частицы — соединения двух частиц, которые ведут себя как одна частица со свойствами, большими, чем сумма ее частей.

Сейчас с участием Физики обнаружили еще один тип гибридных частиц в необычном двумерном магнитном материале. Они определили, что гибридная частица представляет собой смесь электрона и фонона (квазичастица, созданная из атомов колеблющегося материала). Когда они измерили силу между электроном и фононом, они обнаружили, что резинка, или связь, в 10 раз прочнее, чем любой другой известный на сегодняшний день электрон-фононный гибрид.

Исключительная связь частицы указывает на то, что электрон и фонон частицы могут быть настроены бок о бок; Например, любое изменение электрона должно влиять на фонон, и наоборот. В принципе, электронное возбуждение, такое как напряжение или свет, приложенное к гибридной частице, может возбудить электрон, как обычно, а также воздействовать на фонон, влияя на структурные или магнитные свойства материала. Такое двойное управление могло бы позволить ученым применять напряжение или свет к материалу для настройки не только его электрических свойств, но и его магнетизма.

Художественное представление электронов, локализованных на d-орбиталях, сильно взаимодействующих с вибрационными волнами решетки (фононами). Лопастная структура изображает электронное облако ионов никеля в NiPS3, также известное как орбитали. Волны, излучаемые орбитальной структурой, представляют собой фононные колебания. Красные светящиеся линии указывают на образование ассоциированного состояния между электронами и колебаниями решетки. Кредит: Эмре Эргечин

Особенно важными были результаты, поскольку команда идентифицировала гибридную частицу трисульфида никеля и фосфора (NiPS).₃), двумерный материал, недавно привлекший внимание своими магнитными свойствами. Ученые полагают, что если этими свойствами можно будет управлять, например, с помощью недавно открытых гибридных частиц, материал может быть использован в качестве нового типа магнитного полупроводника, из которого можно будет сделать меньшую, более быструю и энергоэффективную электронику.

«Представьте, если бы мы могли возбудить электрон и его магнитную реакцию», — говорит Но Гедик, профессор физики Массачусетского технологического института. «Тогда вы можете сделать устройства совершенно отличными от того, как они работают сегодня».

Джедек и его коллеги опубликовали свои результаты 10 января 2022 года в журнале Связь с природой. В число соавторов входят Эмре Эргечен, Батыр Ильяс, Дан Мао, Хой Чун По, Мехмет Бурак Йылмаз и Сентхил Тодадри из Массачусетского технологического института, а также Чонхён Ким и Дже-Гын Пак из Сеульского национального университета в Корее.

ДСП листы

Область современной физики конденсированных сред частично ориентирована на исследование взаимодействий в материи на наноуровне. Такие взаимодействия между атомами вещества, электронами и другими субатомными частицами могут привести к удивительным результатам, таким как сверхпроводимость и другие странные явления. Физики ищут эти взаимодействия, конденсируя химические вещества на поверхностях, чтобы сформировать листы двумерных материалов, которые могут быть такими же тонкими, как один атомный слой.

В 2018 году исследовательская группа в Корее обнаружила несколько неожиданных взаимодействий в композитных панелях NiPS.₃, двумерный материал, который становится антимагнитным при очень низких температурах около 150 К, или -123 градуса. Цельсия. Микроструктура антимагнетика напоминает сотовую решетку атомов, которые вращаются против вращения своих соседей. Напротив, ферромагнитный материал состоит из атомов, которые вращаются в одном направлении.

В анализе NiPS فحص₃, эта группа обнаружила, что странное возбуждение стало видимым, когда материал охладил свой антимагнитный переход, хотя точная природа ответственных взаимодействий не была ясна. Другая группа обнаружила признаки гибридной частицы, но ее точные компоненты и связь с этим странным возбуждением также не были ясны.

Гидик и его коллеги задались вопросом, смогут ли они обнаружить гибридную частицу и выявить две частицы, составляющие целое, зафиксировав характерные для них движения с помощью сверхбыстрого лазера.

магнитно видимый

Движение электронов и других субатомных частиц обычно можно сфотографировать очень быстро, даже с помощью самой быстрой камеры в мире. Задача — это как сфотографировать бегущего человека, — говорит Гедек. Полученное изображение размыто, потому что затвор, который позволяет свету захватить изображение, работает недостаточно быстро, и человек все еще работает в кадре, прежде чем затвор сможет сделать четкий снимок.

Чтобы обойти эту проблему, команда использовала сверхбыстрый лазер, излучающий световые импульсы длительностью всего 25 фемтосекунд (одна фемтосекунда — это миллионная миллиардная доля секунды). Они разделяют лазерный импульс на два отдельных импульса и направляют их на образец NiPS.₃. Два импульса устанавливаются с небольшой задержкой друг относительно друга, так что первый стимулирует или «толкает» образец, а второй фиксирует реакцию образца с временным разрешением 25 фемтосекунд. Таким образом, они смогли создать сверхбыстрое «кино», из которого можно было сделать вывод о взаимодействии различных частиц в материи.

В частности, они измерили точное количество света, отраженного от образца, в зависимости от времени между двумя импульсами. Это отражение должно определенным образом меняться в случае гибридных молекул. Так оказалось при охлаждении образца ниже 150 градусов Кельвина, когда материал стал антимагнитным.

«Мы обнаружили, что эта гибридная частица была видна только при определенной температуре, когда был включен магнетизм», — говорит Эргечен.

Чтобы определить конкретные компоненты частицы, команда изменила цвет или частоту первого лазера и обнаружила, что гибридная частица была видна, когда частота отраженного света была около определенного типа перехода, который, как известно, происходит при движении электрона между две d-орбитали. Они также изучили интервал видимого периодического рисунка в спектре отраженного света и обнаружили, что он соответствует энергии определенного типа фонона. Это показало, что гибридная частица состоит из возбуждения d-орбитальных электронов и этого специфического фонона.

Они сделали дополнительное моделирование на основе своих измерений и обнаружили, что сила, связывающая электрон с фононом, примерно в 10 раз сильнее, чем то, что было оценено для других электрон-фононных гибридов.

«Один из потенциальных способов использования этой гибридной частицы заключается в том, что она позволяет вам соединять один компонент и косвенно настраивать другой», — говорит Элиас. «Таким образом, вы можете изменить свойства материала, например, магнитное состояние системы».

Ссылка: «Подсвеченные магнитным полем темные состояния электронно-фононного связывания в магнитной левитации Ван-дер-Ваальса», авторы Эмре Эргесен, Патир Элиас, Дэн Мао, Хуэй Чун-бо, Мехмет Бурак Йилмаз, Джонхьюн Ким, Чон Пак, Т. Сентел и Но Гедик. , Канон 10 2 (январь) 2022 г., Связь с природой.
DOI: 10.1038 / s41467-021-27741-3

Это исследование было частично поддержано Министерством энергетики США и Фондом Гордона и Бетти Мур.