Фізики Массачусетського технологічного інституту виявили дивні гібридні частинки, схоплені надщільним «клеєм»

Відкриття може дати шлях до менших і швидших електронних пристроїв.

У світі частинок іноді дві краще, ніж одна. Візьмемо, наприклад, електронні пари. Коли два електрони з’єднуються разом, вони можуть ковзати крізь матеріал без тертя, надаючи матеріалу надпровідні властивості. Ці подвійні електрони, або куперовські пари, є типом гібридної частинки – з’єднання двох частинок, які поводяться як одна частинка, з властивостями, більшими, ніж сума її частин.

прямо зараз з Фізики виявили інший тип гібридних частинок у незвичайному двовимірному магнітному матеріалі. Вони визначили, що гібридна частинка є сумішшю електрона і фонона (квазічастинки, отриманої з атомів вібруючого матеріалу). Коли вони виміряли силу між електроном і фононом, вони виявили, що камедь, або зв’язок, у 10 разів міцніша за будь-який інший електрон-фононний гібрид, відомий на сьогоднішній день.

Винятковий зв’язок частинки вказує на те, що електрон і фонон частинки можуть бути налаштовані поряд; Наприклад, будь-яка зміна електрона має впливати на фонон, і навпаки. В принципі, електронне збудження, таке як напруга або світло, прикладене до гібридної частинки, може збуджувати електрон, як це було б зазвичай, а також впливає на фонон, впливаючи на структурні або магнітні властивості матеріалу. Такий подвійний контроль може дозволити вченим застосовувати напругу або світло до матеріалу, щоб налаштувати не тільки його електричні властивості, але й магнетизм.

Враження художника про електрони, локалізовані на d-орбіталях, які сильно взаємодіють з вібраційними хвилями решітки (фононами). Лобчаста структура зображує електронну хмару іонів нікелю в NiPS3, також відому як орбіталі. Хвилі, які випромінює орбітальна структура, являють собою фононні коливання. Червоні світяться лінії вказують на утворення асоційованого стану між електронами та коливаннями решітки. Авторство: Emre Ergecin

Особливо актуальними були результати, оскільки команда визначила гібридну частинку трисульфіду нікелю-фосфору (NiPS).₃), двовимірний матеріал, який нещодавно привернув увагу своїми магнітними властивостями. Якщо цими властивостями можна маніпулювати, наприклад, за допомогою нещодавно відкритих гібридних частинок, вчені вважають, що колись матеріал може стати корисним як новий тип магнітного напівпровідника, з якого можна буде перетворити меншу, швидшу та більш енергоефективну електроніку.

«Уявіть, якби ми могли збудити електрон і реакцію магнетизму», — каже Но Гедік, професор фізики Массачусетського технологічного інституту. «Тоді ви зможете зробити пристрої абсолютно не такими, як вони працюють сьогодні».

Джедек та його колеги опублікували свої результати 10 січня 2022 року в журналі Природні комунікації. Співавтори включають Емре Ергесен, Патір Еліас, Дан Мао, Хуї Чун Бо, Мехмет Бурак Їлмаз і Сентіл Тодрі з Массачусетського технологічного інституту, а також Чон Хьон Кім і Дже-Гин Парк із Сеульського національного університету в Кореї.

листи частинок

Сфера сучасної фізики конденсованої речовини частково зосереджена на дослідженні взаємодій у речовині на наномасштабі. Такі взаємодії між атомами речовини, електронами та іншими субатомними частинками можуть призвести до дивовижних результатів, таких як надпровідність та інші дивні явища. Фізики шукають ці взаємодії, конденсуючи хімічні речовини на поверхнях, щоб утворити листи двовимірних матеріалів, які можуть бути тонкими, як один атомний шар.

У 2018 році дослідницька група в Кореї виявила деякі несподівані взаємодії в композитних панелях NiPS.₃, двовимірний матеріал, який стає антимагнітним при дуже низьких температурах близько 150 К або -123 градуси Цельсія. Мікроструктура антимагніта нагадує стільникову павутину атомів, що обертають свої банки проти розкручування. На відміну від цього, феромагнітний матеріал складається з атомів, які обертаються в одному напрямку.

У аналізі NiPS فحص₃, ця група виявила, що дивне збудження стало видимим, коли матеріал охолоджував свій антимагнітний перехід, хоча точна природа відповідних взаємодій не була зрозуміла. Інша група виявила ознаки гібридної частинки, але її точні компоненти та зв’язок із цим дивним збудженням також не були зрозумілі.

Гідік і його колеги задалися питанням, чи зможуть вони виявити гібридну частинку та виявити дві частинки, які складають ціле, зафіксувавши їхні характерні рухи за допомогою надшвидкого лазера.

магнітно видимі

Рух електронів та інших субатомних частинок зазвичай дуже швидкий для фотографування, навіть за допомогою найшвидшої камери в світі. Завдання — це як сфотографувати когось, що біжить, — каже Гедек. Отримане зображення розмито, тому що затвор, який дозволяє світлу захоплювати зображення, недостатньо швидкий, і людина все ще працює в кадрі, перш ніж затвор зможе зробити чіткий знімок.

Щоб обійти цю проблему, команда використала надшвидкий лазер, який випромінює світлові імпульси тривалістю всього 25 фемтосекунд (одна фемтосекунда є мільйонною мільярдною часткою секунди). Вони розбивають лазерний імпульс на два окремих імпульси і направляють їх на зразок NiPS₃. Два імпульси встановлюються з невеликою затримкою один від одного, так що перший стимулює або «вибиває» зразок, а другий фіксує відповідь зразка з роздільною здатністю 25 фемтосекунд. Таким чином вони змогли створити надшвидкі «фільми», з яких можна було б зробити висновок про взаємодію різних частинок у речовині.

Зокрема, вони виміряли точну кількість світла, відбитого від зразка, як функцію часу між двома імпульсами. Це відображення повинно певним чином змінитися у випадку гібридних молекул. Це виявилося при охолодженні зразка нижче 150 градусів Кельвіна, коли матеріал стає антимагнітним.

«Ми виявили, що ця гібридна частинка була видима лише при певній температурі, коли був увімкнений магнетизм», — каже Ергечен.

Щоб визначити конкретні компоненти частинки, команда змінила колір або частоту першого лазера і виявила, що гібридна частинка була видимою, коли частота відбитого світла була навколо певного типу переходу, який, як відомо, відбувається як електрон, який рухається між дві d-орбіталі. Вони також розглянули відстань видимої періодичної картини в спектрі відбитого світла і виявили, що вона відповідає енергії певного типу фонона. Це показує, що гібридна частинка утворена збудженням d-орбітальних електронів і цього специфічного фонона.

Вони провели додаткове моделювання на основі своїх вимірювань і виявили, що сила, що зв’язує електрон з фононом, приблизно в 10 разів сильніша, ніж була оцінена для інших електрон-фононних гібридів.

«Одним із потенційних способів використання цієї гібридної частинки є те, що вона може дозволити вам об’єднати один компонент і опосередковано налаштувати інший», – каже Еліас. «Таким чином ви можете змінити властивості матеріалу, наприклад, магнітний стан системи».

Довідка: «Магнітно освітлені темні стани електрон-фононного зв’язування в магнітній левітації Ван-дер-Ваальса» Емре Ергесена, Патіра Еліаса, Дана Мао, Хуї Чун-бо, Мехмета Бурака Їлмаза, Джонхюна Кіма, Чон Парка, Т. Сентела та Но Гедіка , Canon 10 2 (січень) 2022 р., Природні комунікації.
DOI: 10.1038 / s41467-021-27741-3

Це дослідження частково підтримано Міністерством енергетики США та Фондом Гордона і Бетті Мур.