Fyzici z MIT objevili podivné hybridní částice zachycené dohromady super hustým „lepidlem“

Objev by mohl poskytnout cestu k menším a rychlejším elektronickým zařízením.

Ve světě částic jsou někdy dva lepší než jeden. Vezměte si například elektronové páry. Když se dva elektrony spojí, mohou klouzat materiálem bez tření, což dává materiálu supravodivé vlastnosti. Tyto dvojité elektrony nebo Cooperovy páry jsou typem hybridních částic – sloučeninou dvou částic, které se chovají jako jediná částice, s vlastnostmi většími než součet jejích částí.

právě teď s Fyzici objevili další typ hybridních částic v neobvyklém dvourozměrném magnetickém materiálu. Zjistili, že hybridní částice je směs elektronu a fononu (kvazičástice vytvořená z atomů vibrujícího materiálu). Když změřili sílu mezi elektronem a fononem, zjistili, že guma neboli vazba je 10krát silnější než jakýkoli jiný dosud známý hybrid elektron-fonon.

Výjimečná vazba částice naznačuje, že elektron a fonon částice mohou být laděny vedle sebe; Například jakákoli změna v elektronu by měla ovlivnit fonon a naopak. Elektronické buzení, jako je napětí nebo světlo, aplikované na hybridní částici, může v zásadě vybudit elektron, jak by tomu bylo normálně, a také ovlivňuje fonon, což ovlivňuje strukturní nebo magnetické vlastnosti materiálu. Takové duální řízení by mohlo vědcům umožnit aplikovat napětí nebo světlo na materiál, aby vyladili nejen jeho elektrické vlastnosti, ale také jeho magnetismus.

Zvláště relevantní byly výsledky, protože tým identifikoval hybridní částici trisulfidu niklu a fosforu (NiPS).₃), dvourozměrný materiál, který v poslední době přitahuje pozornost pro své magnetické vlastnosti. Pokud se tyto vlastnosti podaří zmanipulovat, například prostřednictvím nově objevených hybridních částic, vědci se domnívají, že by materiál mohl být jednoho dne užitečný jako nový typ magnetického polovodiče, ze kterého lze vyrobit menší, rychlejší a energeticky účinnější elektroniku.

„Představte si, že bychom dokázali vybudit elektron a odezvu magnetismu,“ říká Noh Gedik, profesor fyziky na MIT. „Pak můžete udělat zařízení úplně jiná, než jak fungují dnes.“

Jedek a kolegové zveřejnili své výsledky 10. ledna 2022 v časopise Příroda komunikace. Mezi spoluautory patří Emre Ergesen, Patir Elias, Dan Mao, Hui Chun-bo, Mehmet Burak Yilmaz a Senthil Todadri z MIT spolu s Junghyunem Kimem a Je-Geun Parkem ze Soulské národní univerzity v Koreji.

částicové listy

Oblast moderní fyziky kondenzovaných látek se částečně zaměřuje na výzkum interakcí ve hmotě v nanoměřítku. Takové interakce mezi atomy hmoty, elektrony a dalšími subatomárními částicemi mohou vést k překvapivým výsledkům, jako je supravodivost a další podivné jevy. Fyzici hledají tyto interakce kondenzací chemikálií na površích za vzniku plátů dvourozměrných materiálů, které mohou být tenké jako jedna atomová vrstva.

V roce 2018 výzkumná skupina v Koreji objevila některé neočekávané interakce v kompozitních panelech NiPS₃, dvourozměrný materiál, který se stává antimagnetickým při velmi nízkých teplotách kolem 150 K nebo -123 stupňů Celsia. Mikrostruktura antimagnetu připomíná voštinovou síť atomů, které otáčejí své nádoby proti otáčení. Naproti tomu feromagnetický materiál se skládá z atomů, které rotují zarovnané ve stejném směru.

V testu NiPS فحص₃Tato skupina zjistila, že podivné buzení se stalo viditelným, když materiál ochladil svůj antimagnetický přechod, ačkoli přesná povaha odpovědných interakcí nebyla jasná. Jiná skupina našla známky hybridní částice, ale ani její přesné složky a vztah k této podivné excitaci nebyly jasné.

Gidick a jeho kolegové uvažovali, zda mohou detekovat hybridní částici a vyvolat dvě částice, které tvoří celek, zachycením jejich charakteristických pohybů ultrarychlým laserem.

magneticky viditelné

Pohyb elektronů a dalších subatomárních částic je obvykle velmi rychlý na fotografování, a to i s nejrychlejším fotoaparátem světa. Výzva je jako vyfotit někoho, kdo běží, říká Gedek. Výsledný obraz je rozmazaný, protože závěrka, která umožňuje světlu zachytit obraz, není dostatečně rychlá a člověk stále pracuje v záběru, než závěrka stihne pořídit jasný snímek.

K vyřešení tohoto problému použil tým ultrarychlý laser, který vysílá pulzy světla trvající pouhých 25 femtosekund (jedna femtosekunda je miliontina miliardtiny sekundy). Rozdělí laserový puls na dva samostatné pulsy a nasměrují je na NiPS vzorek₃. Dva pulzy jsou nastaveny s mírným zpožděním od sebe tak, že první stimuluje, neboli „nakopává“ vzorek, a druhý zachycuje odezvu vzorku s časovým rozlišením 25 femtosekund. Dokázali tak vytvořit ultrarychlé „filmy“, z nichž bylo možné usuzovat na interakce různých částic uvnitř hmoty.

Konkrétně měřili přesné množství světla odraženého od vzorku jako funkci času mezi dvěma pulzy. Tento odraz se musí v případě hybridních molekul určitým způsobem změnit. To se ukázalo v případě, kdy byl vzorek ochlazen pod 150 stupňů Kelvina, kdy se materiál stal antimagnetickým.

„Zjistili jsme, že tato hybridní částice byla viditelná pouze při určité teplotě, když byl zapnut magnetismus,“ říká Ergeçen.

Aby tým určil specifické složky částice, změnil barvu nebo frekvenci prvního laseru a zjistil, že hybridní částice byla viditelná, když frekvence odraženého světla byla kolem specifického typu přechodu, o kterém je známo, že se vyskytuje jako elektron pohybující se mezi dva d orbitaly. Také se podívali na rozestupy viditelného periodického vzoru v odraženém světelném spektru a zjistili, že odpovídá energii určitého typu fononů. To ukazuje, že hybridní částice vzniká excitací d orbitálních elektronů a tohoto specifického fononu.

Na základě svých měření provedli nějaké další modelování a zjistili, že síla vázající elektron k fononu je asi 10krát silnější, než jaká byla odhadnuta pro jiné hybridy elektron-fonon.

„Jedním z potenciálních způsobů, jak využít tuto hybridní částici, je to, že vám umožní spárovat jednu komponentu a nepřímo vyladit druhou,“ říká Elias. „Tímto způsobem můžete změnit vlastnosti materiálu, jako je magnetický stav systému.“

Reference: „Magneticky osvětlené temné elektron-fononové vazebné stavy v van der Waalsově magnetické levitaci“ od Emre Ergesen, Patir Elias, Dan Mao, Hui Chun-bo, Mehmet Burak Yilmaz, Jonghyun Kim, Jeon Park, T. Sentel a Noh Gedik , Canon 10 2nd (leden) 2022, Příroda komunikace.
DOI: 10.1038 / s41467-021-27741-3

Tento výzkum částečně podpořilo americké ministerstvo energetiky a nadace Gordona a Betty Mooreových.