MIT-natuurkundigen ontdekken vreemde hybride deeltjes die bij elkaar zijn gevangen door superdichte ‘lijm’

De ontdekking zou een pad kunnen bieden naar kleinere, snellere elektronische apparaten.

In de deeltjeswereld is soms twee beter dan één. Neem bijvoorbeeld elektronenparen. Wanneer twee elektronen aan elkaar binden, kunnen ze zonder wrijving door een materiaal glijden, waardoor het materiaal supergeleidende eigenschappen krijgt. Deze dubbele elektronen, of Cooper-paren, zijn een soort hybride deeltje – een verbinding van twee deeltjes die zich gedragen als een enkel deeltje, met eigenschappen die groter zijn dan de som van de delen.

direct met Natuurkundigen hebben een ander type hybride deeltje ontdekt in een ongebruikelijk tweedimensionaal magnetisch materiaal. Ze stelden vast dat een hybride deeltje een mengsel is van een elektron en een fonon (een quasi-deeltje geproduceerd uit atomen van een trillend materiaal). Toen ze de kracht tussen het elektron en de fonon maten, ontdekten ze dat de gom, of binding, tien keer sterker is dan elke andere tot nu toe bekende elektron-fononhybride.

De uitzonderlijke binding van het deeltje geeft aan dat het elektron en de fonon van het deeltje naast elkaar kunnen worden afgestemd; Elke verandering in het elektron zou bijvoorbeeld de fonon moeten beïnvloeden en vice versa. In principe kan elektronische excitatie, zoals een spanning of licht, toegepast op een hybride deeltje, het elektron op dezelfde manier aanslaan als normaal, en ook het fonon beïnvloeden, waardoor de structurele of magnetische eigenschappen van het materiaal worden beïnvloed. Een dergelijke dubbele controle zou wetenschappers in staat kunnen stellen om spanning of licht op een materiaal toe te passen om niet alleen de elektrische eigenschappen, maar ook het magnetisme ervan af te stemmen.

Een artistieke impressie van elektronen gelokaliseerd in d-orbitalen die sterk interageren met roostertrillingsgolven (fononen). De gelobde structuur toont de elektronenwolk van nikkelionen in NiPS3, ook wel orbitalen genoemd. De golven die door de orbitale structuur worden uitgezonden, vertegenwoordigen fonontrillingen. De rood oplichtende lijnen duiden op de vorming van een geassocieerde toestand tussen de elektronen en de roostertrillingen. Krediet: Emre Ergecin

Bijzonder relevant waren de resultaten, aangezien het team een ​​nikkel-fosfortrisulfide (NiPS) hybride deeltje identificeerde.₃), een tweedimensionaal materiaal dat onlangs de aandacht heeft getrokken vanwege zijn magnetische eigenschappen. Als deze eigenschappen kunnen worden gemanipuleerd, bijvoorbeeld door nieuw ontdekte hybride deeltjes, denken wetenschappers dat het materiaal ooit nuttig kan zijn als een nieuw type magnetische halfgeleider, waarvan kleinere, snellere en energiezuinigere elektronica kan worden gemaakt.

“Stel je voor dat we een elektron zouden kunnen opwekken, en de magnetisme-respons”, zegt Noh Gedik, hoogleraar natuurkunde aan het MIT. “Dan kun je de apparaten totaal anders maken dan hoe ze nu werken.”

Jedek en collega’s publiceerden hun resultaten op 10 januari 2022 in het tijdschrift Natuurcommunicatie. Co-auteurs zijn onder meer Emre Ergesen, Patir Elias, Dan Mao, Hui Chun-bo, Mehmet Burak Yilmaz en Senthil Todadri van MIT, samen met Junghyun Kim en Je-Geun Park van de Seoul National University in Korea.

deeltjes platen

Het veld van de moderne fysica van de gecondenseerde materie is gedeeltelijk gericht op het onderzoeken van interacties in materie op nanoschaal. Dergelijke interacties tussen atomen van materie, elektronen en andere subatomaire deeltjes kunnen tot verrassende resultaten leiden, zoals supergeleiding en andere vreemde verschijnselen. Natuurkundigen zoeken naar deze interacties door chemicaliën op oppervlakken te condenseren om platen van tweedimensionale materialen te vormen, die zo dun kunnen zijn als een enkele atoomlaag.

In 2018 ontdekte een onderzoeksgroep in Korea enkele onverwachte interacties in NiPS-composietpanelen₃, een tweedimensionaal materiaal dat antimagnetisch wordt bij zeer lage temperaturen van ongeveer 150 K of -123 graden Celsius. De microstructuur van de antimagneet lijkt op een honingraatweb van atomen die anti-spin hun potten draaien. Een ferromagnetisch materiaal daarentegen bestaat uit atomen die in dezelfde richting draaien.

In NiPS فحص-assay₃, ontdekte die groep dat de vreemde excitatie zichtbaar werd toen het materiaal zijn antimagnetische overgang afkoelde, hoewel de exacte aard van de verantwoordelijke interacties niet duidelijk was. Een andere groep vond tekenen van een hybride deeltje, maar de exacte componenten en relatie met deze vreemde excitatie waren ook niet duidelijk.

Gidick en zijn collega’s vroegen zich af of ze het hybride deeltje konden detecteren en de twee deeltjes die het geheel vormen konden opwekken door hun kenmerkende bewegingen vast te leggen met een ultrasnelle laser.

magnetisch zichtbaar

De beweging van elektronen en andere subatomaire deeltjes is meestal erg snel te fotograferen, zelfs met ’s werelds snelste camera. De uitdaging is als een foto maken van iemand die rent, zegt Gedek. Het resulterende beeld is wazig omdat de sluiter, waardoor het licht het beeld kan vastleggen, niet snel genoeg is, en de persoon nog steeds in het frame werkt voordat de sluiter een duidelijke foto kan maken.

Om dit probleem te omzeilen, gebruikte het team een ​​ultrasnelle laser die lichtpulsen uitzendt die slechts 25 femtoseconden duren (één femtoseconde is een miljoenste van een miljardste van een seconde). Ze splitsen de laserpuls in twee afzonderlijke pulsen en sturen ze naar een NiPS-monster₃. De twee pulsen worden met een kleine vertraging van elkaar ingesteld, zodat de eerste het monster stimuleert of “schopt”, en de tweede de respons van het monster vastlegt, met een tijdresolutie van 25 femtoseconden. Op deze manier waren ze in staat om ultrasnelle “films” te maken waaruit de interacties van verschillende deeltjes in materie konden worden afgeleid.

Ze maten met name de exacte hoeveelheid licht die door het monster werd gereflecteerd als functie van de tijd tussen de twee pulsen. Bij hybride moleculen moet deze reflectie op een bepaalde manier veranderen. Dit bleek het geval te zijn wanneer het monster werd afgekoeld tot onder de 150 graden Kelvin, wanneer het materiaal antimagnetisch wordt.

“We ontdekten dat dit hybride deeltje alleen zichtbaar was onder een bepaalde temperatuur, wanneer het magnetisme was ingeschakeld”, zegt Ergeçen.

Om de specifieke componenten van het deeltje te bepalen, veranderde het team de kleur of frequentie van de eerste laser en ontdekte dat het hybride deeltje zichtbaar was wanneer de frequentie van het gereflecteerde licht rond een specifiek type overgang was waarvan bekend is dat het optreedt als een elektron dat beweegt tussen twee d-orbitalen. Ze keken ook naar de afstand van het zichtbare periodieke patroon binnen het gereflecteerde lichtspectrum en ontdekten dat het overeenkwam met de energie van een bepaald type fonon. Dit laat zien dat het hybride deeltje wordt gevormd door de excitatie van d-orbitale elektronen en dit specifieke fonon.

Ze deden wat aanvullende modellering op basis van hun metingen en ontdekten dat de kracht die het elektron aan de fonon bindt ongeveer 10 keer sterker is dan wat is geschat voor andere elektron-fononhybriden.

“Een mogelijke manier om dit hybride deeltje te benutten, is dat je het ene onderdeel kunt koppelen en het andere indirect kunt afstemmen”, zegt Elias. “Zo kun je de eigenschappen van een materiaal veranderen, zoals de magnetische toestand van het systeem.”

Referentie: “Magnetisch verlichte donkere elektron-fononbindingstoestanden in een van der Waals magnetische levitatie” door Emre Ergesen, Patir Elias, Dan Mao, Hui Chun-bo, Mehmet Burak Yilmaz, Jonghyun Kim, Jeon Park, T. Senthel en Noh Gedik , Canon 10 2 (januari) 2022, Natuurcommunicatie.
DOI: 10.1038 / s41467-021-27741-3

Dit onderzoek werd mede ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie en de Gordon and Betty Moore Foundation.