Οι φυσικοί του MIT ανακαλύπτουν περίεργα υβριδικά σωματίδια παγιδευμένα μεταξύ τους από εξαιρετικά πυκνή «κόλλα»

Η ανακάλυψη θα μπορούσε να προσφέρει μια διαδρομή προς μικρότερες, ταχύτερες ηλεκτρονικές συσκευές.

Στον κόσμο των σωματιδίων, μερικές φορές δύο είναι καλύτερα από ένα. Πάρτε, για παράδειγμα, ζεύγη ηλεκτρονίων. Όταν δύο ηλεκτρόνια συνδέονται μεταξύ τους, μπορούν να γλιστρήσουν μέσα από ένα υλικό χωρίς τριβή, δίνοντας στο υλικό υπεραγώγιμες ιδιότητες. Αυτά τα διπλά ηλεκτρόνια, ή ζεύγη Cooper, είναι ένας τύπος υβριδικού σωματιδίου – μια ένωση δύο σωματιδίων που συμπεριφέρονται ως ένα μόνο σωματίδιο, με ιδιότητες μεγαλύτερες από το άθροισμα των μερών του.

τώρα αμέσως με Οι φυσικοί ανακάλυψαν έναν άλλο τύπο υβριδικού σωματιδίου σε ένα ασυνήθιστο δισδιάστατο μαγνητικό υλικό. Προσδιόρισαν ότι ένα υβριδικό σωματίδιο είναι ένα μείγμα ηλεκτρονίου και φωνονίου (ένα οιονεί σωματίδιο που παράγεται από άτομα ενός δονούμενου υλικού). Όταν μέτρησαν τη δύναμη μεταξύ του ηλεκτρονίου και του φωνονίου, διαπίστωσαν ότι το κόμμι, ή ο δεσμός, είναι 10 φορές ισχυρότερο από οποιοδήποτε άλλο υβρίδιο ηλεκτρονίων-φωνονίων που είναι γνωστό μέχρι σήμερα.

Ο εξαιρετικός δεσμός του σωματιδίου δείχνει ότι το ηλεκτρόνιο και το φωνόνιο του σωματιδίου μπορούν να συντονιστούν το ένα δίπλα στο άλλο. Για παράδειγμα, οποιαδήποτε αλλαγή στο ηλεκτρόνιο θα πρέπει να επηρεάσει το φωνόνιο και το αντίστροφο. Κατ’ αρχήν, η ηλεκτρονική διέγερση, όπως μια τάση ή το φως, που εφαρμόζεται σε ένα υβριδικό σωματίδιο μπορεί να διεγείρει το ηλεκτρόνιο όπως θα έκανε κανονικά, και επίσης να επηρεάσει το φωνόνιο, επηρεάζοντας τις δομικές ή μαγνητικές ιδιότητες του υλικού. Αυτός ο διπλός έλεγχος θα μπορούσε να επιτρέψει στους επιστήμονες να εφαρμόσουν τάση ή φως σε ένα υλικό για να συντονίσουν όχι μόνο τις ηλεκτρικές του ιδιότητες αλλά και τον μαγνητισμό του.

Η εντύπωση ενός καλλιτέχνη για ηλεκτρόνια εντοπισμένα σε d τροχιακά που αλληλεπιδρούν έντονα με κύματα δόνησης πλέγματος (φωνόνια). Η λοβωτή δομή απεικονίζει το νέφος ηλεκτρονίων των ιόντων νικελίου στο NiPS3, γνωστό και ως τροχιακά. Τα κύματα που εκπέμπονται από την τροχιακή δομή αντιπροσωπεύουν δονήσεις φωνονίων. Οι κόκκινες λαμπερές γραμμές υποδεικνύουν το σχηματισμό μιας σχετικής κατάστασης μεταξύ των ηλεκτρονίων και των δονήσεων του πλέγματος. Πίστωση: Emre Ergecin

Ιδιαίτερα σχετικά ήταν τα αποτελέσματα, καθώς η ομάδα αναγνώρισε ένα υβριδικό σωματίδιο τριθειώδους νικελίου-φωσφόρου (NiPS).₃), ένα δισδιάστατο υλικό που προσέλκυσε πρόσφατα την προσοχή για τις μαγνητικές του ιδιότητες. Εάν αυτές οι ιδιότητες μπορούν να χειριστούν, για παράδειγμα μέσω υβριδικών σωματιδίων που ανακαλύφθηκαν πρόσφατα, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι το υλικό θα μπορούσε μια μέρα να είναι χρήσιμο ως ένας νέος τύπος μαγνητικού ημιαγωγού, ο οποίος μπορεί να μετατραπεί σε μικρότερα, ταχύτερα και πιο ενεργειακά αποδοτικά ηλεκτρονικά.

«Φανταστείτε αν μπορούσαμε να διεγείρουμε ένα ηλεκτρόνιο και την απόκριση του μαγνητισμού», λέει ο Noh Gedik, καθηγητής φυσικής στο MIT. «Τότε μπορείτε να κάνετε τις συσκευές εντελώς διαφορετικές από το πώς λειτουργούν σήμερα».

Ο Jedek και οι συνεργάτες του δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους στις 10 Ιανουαρίου 2022 στο περιοδικό Επικοινωνίες για τη φύση. Οι συγγραφείς περιλαμβάνουν τους Emre Ergeçen, Batyr Ilyas, Dan Mao, Hoi Chun Po, Mehmet Burak Yilmaz και Senthil Todadri στο MIT, μαζί με τους Junghyun Kim και Je-Geun Park από το Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σεούλ στην Κορέα.

φύλλα σωματιδίων

Το πεδίο της σύγχρονης φυσικής συμπυκνωμένης ύλης επικεντρώνεται, εν μέρει, στην έρευνα των αλληλεπιδράσεων στην ύλη σε νανοκλίμακα. Τέτοιες αλληλεπιδράσεις μεταξύ ατόμων ύλης, ηλεκτρονίων και άλλων υποατομικών σωματιδίων μπορούν να οδηγήσουν σε εκπληκτικά αποτελέσματα, όπως η υπεραγωγιμότητα και άλλα περίεργα φαινόμενα. Οι φυσικοί αναζητούν αυτές τις αλληλεπιδράσεις συμπυκνώνοντας χημικές ουσίες σε επιφάνειες για να σχηματίσουν φύλλα δισδιάστατων υλικών, τα οποία μπορεί να είναι τόσο λεπτά όσο ένα μόνο ατομικό στρώμα.

Το 2018, μια ερευνητική ομάδα στην Κορέα ανακάλυψε μερικές απροσδόκητες αλληλεπιδράσεις σε σύνθετα πάνελ NiPS₃, ένα δισδιάστατο υλικό που γίνεται αντιμαγνητικό σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες περίπου 150 K, ή -123 μοίρες Κελσίου. Η μικροδομή ενός αντιμαγνήτη μοιάζει με ένα κυψελωτό πλέγμα ατόμων που περιστρέφονται αντίθετα από το σπιν των γειτόνων τους. Αντίθετα, ένα σιδηρομαγνητικό υλικό αποτελείται από άτομα που περιστρέφονται ευθυγραμμισμένα προς την ίδια κατεύθυνση.

Στη δοκιμασία NiPS فحص₃, εκείνη η ομάδα ανακάλυψε ότι η παράξενη διέγερση έγινε ορατή καθώς το υλικό ψύξε την αντιμαγνητική του μετάβαση, αν και η ακριβής φύση των υπεύθυνων αλληλεπιδράσεων δεν ήταν σαφής. Μια άλλη ομάδα βρήκε σημάδια ενός υβριδικού σωματιδίου, αλλά τα ακριβή συστατικά και η σχέση του με αυτή την παράξενη διέγερση δεν ήταν επίσης ξεκάθαρα.

Ο Γκίντικ και οι συνεργάτες του αναρωτήθηκαν αν μπορούσαν να ανιχνεύσουν το υβριδικό σωματίδιο και να προκαλέσουν τα δύο σωματίδια που αποτελούν το σύνολο, καταγράφοντας τις χαρακτηριστικές τους κινήσεις με ένα υπερταχύ λέιζερ.

μαγνητικά ορατή

Η κίνηση των ηλεκτρονίων και άλλων υποατομικών σωματιδίων είναι συνήθως πολύ γρήγορη στη φωτογράφηση, ακόμη και με την ταχύτερη κάμερα στον κόσμο. Η πρόκληση είναι σαν να φωτογραφίζεις κάποιον που τρέχει, λέει ο Γκέντεκ. Η εικόνα που προκύπτει είναι θολή επειδή το κλείστρο, το οποίο επιτρέπει στο φως να συλλάβει την εικόνα, δεν είναι αρκετά γρήγορο και το άτομο εξακολουθεί να εργάζεται στο πλαίσιο προτού το κλείστρο μπορέσει να τραβήξει μια καθαρή φωτογραφία.

Για να ξεπεράσει αυτό το πρόβλημα, η ομάδα χρησιμοποίησε ένα εξαιρετικά γρήγορο λέιζερ που εκπέμπει παλμούς φωτός διάρκειας μόλις 25 femtoseconds (ένα femtosecond είναι ένα εκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου). Διαχωρίζουν τον παλμό λέιζερ σε δύο ξεχωριστούς παλμούς και τους κατευθύνουν σε ένα δείγμα NiPS₃. Οι δύο παλμοί ρυθμίζονται με μια μικρή καθυστέρηση ο ένας από τον άλλο, έτσι ώστε ο πρώτος να διεγείρει ή να «κλωτσάει» το δείγμα και ο δεύτερος να συλλαμβάνει την απόκριση του δείγματος, με χρονική ανάλυση 25 femtoseconds. Με αυτόν τον τρόπο, κατάφεραν να δημιουργήσουν εξαιρετικά γρήγορες «ταινίες» από τις οποίες θα μπορούσαν να συναχθούν οι αλληλεπιδράσεις διαφόρων σωματιδίων μέσα στην ύλη.

Συγκεκριμένα, μέτρησαν την ακριβή ποσότητα φωτός που ανακλάται από το δείγμα ως συνάρτηση του χρόνου μεταξύ των δύο παλμών. Αυτή η αντανάκλαση πρέπει να αλλάξει με έναν ορισμένο τρόπο στην περίπτωση των υβριδικών μορίων. Αυτό αποδείχθηκε ότι συνέβη όταν το δείγμα ψύχθηκε κάτω από τους 150 βαθμούς Kelvin, όταν το υλικό γίνεται αντιμαγνητικό.

«Βρήκαμε ότι αυτό το υβριδικό σωματίδιο ήταν ορατό μόνο κάτω από μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, όταν ο μαγνητισμός ήταν ενεργοποιημένος», λέει ο Ergeçen.

Για να προσδιορίσει τα συγκεκριμένα συστατικά του σωματιδίου, η ομάδα άλλαξε το χρώμα ή τη συχνότητα του πρώτου λέιζερ και διαπίστωσε ότι το υβριδικό σωματίδιο ήταν ορατό όταν η συχνότητα του ανακλώμενου φωτός ήταν γύρω από έναν συγκεκριμένο τύπο μετάβασης που είναι γνωστό ότι συμβαίνει ως ηλεκτρόνιο που κινείται μεταξύ δύο d τροχιακά. Εξέτασαν επίσης την απόσταση του ορατού περιοδικού σχεδίου εντός του ανακλώμενου φάσματος φωτός και διαπίστωσαν ότι ταίριαζε με την ενέργεια ενός συγκεκριμένου τύπου φωνονίων. Αυτό έδειξε ότι το υβριδικό σωματίδιο αποτελείται από τη διέγερση d τροχιακών ηλεκτρονίων και αυτό το συγκεκριμένο φωνόνιο.

Έκαναν κάποια πρόσθετη μοντελοποίηση με βάση τις μετρήσεις τους και διαπίστωσαν ότι η δύναμη που συνδέει το ηλεκτρόνιο στο φωνόνιο είναι περίπου 10 φορές ισχυρότερη από ό,τι έχει υπολογιστεί για άλλα υβρίδια ηλεκτρονίων-φωνονίων.

“Ένας πιθανός τρόπος για να αξιοποιήσετε αυτό το υβριδικό σωματίδιο είναι ότι μπορεί να σας επιτρέψει να ζευγαρώσετε ένα συστατικό και να συντονίσετε έμμεσα το άλλο”, λέει ο Elias. «Με αυτόν τον τρόπο, μπορείτε να αλλάξετε τις ιδιότητες ενός υλικού, όπως τη μαγνητική κατάσταση του συστήματος».

Αναφορά: «Μαγνητικά φωτισμένες σκοτεινές καταστάσεις σύνδεσης ηλεκτρονίων-φωνονίων σε μαγνητική αιώρηση van der Waals» από τους Emre Ergesen, Patir Elias, Dan Mao, Hui Chun-bo, Mehmet Burak Yilmaz, Jonghyun Kim, Jeon Park, T. Senthel και Noh Gedik , Canon 10 2 (Ιανουάριος) 2022, Επικοινωνίες για τη φύση.
DOI: 10.1038 / s41467-021-27741-3

Αυτή η έρευνα υποστηρίχθηκε εν μέρει από το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ και το Ίδρυμα Gordon and Betty Moore.