I fisici del MIT scoprono strane particelle ibride intrappolate insieme da una «colla» super densa

La scoperta potrebbe fornire un percorso verso dispositivi elettronici più piccoli e veloci.

Nel mondo delle particelle, a volte due è meglio di uno. Prendi, ad esempio, le coppie di elettroni. Quando due elettroni si legano insieme, possono scorrere attraverso un materiale senza attrito, conferendo al materiale proprietà superconduttive. Questi doppi elettroni, o coppie di Cooper, sono un tipo di particella ibrida, un composto di due particelle che si comportano come una singola particella, con proprietà maggiori della somma delle sue parti.

proprio adesso con I fisici hanno scoperto un altro tipo di particella ibrida in un insolito materiale magnetico bidimensionale. Hanno determinato che una particella ibrida è una miscela di un elettrone e un fonone (una quasi particella prodotta da atomi di un materiale vibrante). Quando hanno misurato la forza tra l’elettrone e il fonone, hanno scoperto che la gomma, o legame, è dieci volte più forte di qualsiasi altro ibrido elettrone-fonone conosciuto fino ad oggi.

L’eccezionale legame della particella indica che l’elettrone e il fonone della particella possono essere sintonizzati fianco a fianco; Ad esempio, qualsiasi cambiamento nell’elettrone dovrebbe influenzare il fonone e viceversa. In linea di principio, l’eccitazione elettronica, come una tensione o una luce, applicata a una particella ibrida può eccitare l’elettrone come farebbe normalmente e influisce anche sul fonone, influenzando le proprietà strutturali o magnetiche del materiale. Tale doppio controllo potrebbe consentire agli scienziati di applicare tensione o luce a un materiale per ottimizzare non solo le sue proprietà elettriche ma anche il suo magnetismo.

Un’impressione artistica di elettroni localizzati in orbitali d che interagiscono fortemente con le onde di vibrazione reticolate (fononi). La struttura lobata raffigura la nuvola di elettroni di ioni nichel in NiPS3, noti anche come orbitali. Le onde emesse dalla struttura orbitale rappresentano le vibrazioni fononiche. Le linee rosse luminose indicano la formazione di uno stato associato tra gli elettroni e le vibrazioni del reticolo. Credito: Emre Ergecin

Particolarmente rilevanti sono stati i risultati, in quanto il team ha identificato una particella ibrida di nichel-fosforo trisolfuro (NiPS).₃), un materiale bidimensionale che ha recentemente attirato l’attenzione per le sue proprietà magnetiche. Se queste proprietà possono essere manipolate, ad esempio attraverso particelle ibride scoperte di recente, gli scienziati ritengono che un giorno il materiale potrebbe essere utile come un nuovo tipo di semiconduttore magnetico, che può essere trasformato in un’elettronica più piccola, più veloce e più efficiente dal punto di vista energetico.

«Immagina se potessimo eccitare un elettrone e la risposta del magnetismo», afferma Noh Gedik, professore di fisica al MIT. «Quindi puoi rendere i dispositivi completamente diversi da come funzionano oggi.»

Jedek e colleghi hanno pubblicato i loro risultati il ​​10 gennaio 2022 sulla rivista Comunicazioni sulla natura. I coautori includono Emre Ergesen, Patir Elias, Dan Mao, Hui Chun-bo, Mehmet Burak Yilmaz e Senthil Todadri del MIT, insieme a Junghyun Kim e Je-Geun Park della Seoul National University in Corea.

fogli di particelle

Il campo della moderna fisica della materia condensata si concentra, in parte, sulla ricerca delle interazioni nella materia su scala nanometrica. Tali interazioni tra atomi di materia, elettroni e altre particelle subatomiche possono portare a risultati sorprendenti, come la superconduttività e altri strani fenomeni. I fisici cercano queste interazioni condensando sostanze chimiche sulle superfici per formare fogli di materiali bidimensionali, che possono essere sottili come un singolo strato atomico.

Nel 2018, un gruppo di ricerca in Corea ha scoperto alcune interazioni inaspettate nei pannelli compositi NiPS₃, un materiale bidimensionale che diventa antimagnetico a temperature molto basse di circa 150 K, o -123 gradi Centigrado. La microstruttura dell’antimagnete assomiglia a una rete a nido d’ape di atomi che ruotano contro la rotazione dei loro vasi. Al contrario, un materiale ferromagnetico è costituito da atomi che ruotano allineati nella stessa direzione.

Nel test NiPS فحص₃, quel gruppo ha scoperto che la strana eccitazione è diventata visibile quando il materiale ha raffreddato la sua transizione antimagnetica, sebbene l’esatta natura delle interazioni responsabili non fosse chiara. Un altro gruppo ha trovato segni di una particella ibrida, ma non erano nemmeno chiari i suoi componenti esatti e la relazione con questa strana eccitazione.

Gidick e i suoi colleghi si sono chiesti se potessero rilevare la particella ibrida e suscitare le due particelle che compongono il tutto, catturando i loro movimenti caratteristici con un laser ultraveloce.

magneticamente visibile

Il movimento degli elettroni e di altre particelle subatomiche è solitamente molto veloce da fotografare, anche con la fotocamera più veloce del mondo. La sfida è come scattare una foto di qualcuno che corre, dice Gedek. L’immagine risultante è sfocata perché l’otturatore, che consente alla luce di catturare l’immagine, non è abbastanza veloce e la persona sta ancora lavorando nell’inquadratura prima che l’otturatore possa scattare una foto nitida.

Per aggirare questo problema, il team ha utilizzato un laser ultraveloce che emette impulsi di luce della durata di soli 25 femtosecondi (un femtosecondo è un milionesimo di miliardesimo di secondo). Dividono l’impulso laser in due impulsi separati e li indirizzano a un campione NiPS₃. I due impulsi sono impostati con un leggero ritardo l’uno dall’altro in modo che il primo stimoli, o «calci» il campione, e il secondo catturi la risposta del campione, con una risoluzione temporale di 25 femtosecondi. In questo modo, sono stati in grado di creare «film» ultraveloci da cui si potevano dedurre le interazioni di varie particelle all’interno della materia.

In particolare, hanno misurato l’esatta quantità di luce riflessa dal campione in funzione del tempo tra i due impulsi. Questa riflessione deve cambiare in un certo modo nel caso delle molecole ibride. Questo si è rivelato il caso quando il campione è stato raffreddato al di sotto di 150 gradi Kelvin, quando il materiale diventa antimagnetico.

«Abbiamo scoperto che questa particella ibrida era visibile solo a una certa temperatura, quando il magnetismo era attivato», afferma Ergeçen.

Per determinare i componenti specifici della particella, il team ha cambiato il colore o la frequenza del primo laser e ha scoperto che la particella ibrida era visibile quando la frequenza della luce riflessa era attorno a un tipo specifico di transizione noto per verificarsi come un elettrone che si muove tra due orbitali d. Hanno anche esaminato la spaziatura del pattern periodico visibile all’interno dello spettro della luce riflessa e hanno scoperto che corrispondeva all’energia di un particolare tipo di fonone. Ciò mostra che la particella ibrida è formata dall’eccitazione di d elettroni orbitali e di questo specifico fonone.

Hanno eseguito alcuni modelli aggiuntivi basati sulle loro misurazioni e hanno scoperto che la forza che lega l’elettrone al fonone è circa 10 volte più forte di quanto è stato stimato per altri ibridi elettrone-fonone.

«Un potenziale modo per sfruttare questa particella ibrida è che può consentire di accoppiare un componente e sintonizzare indirettamente l’altro», afferma Elias. «In questo modo, puoi modificare le proprietà di un materiale, come lo stato magnetico del sistema».

Riferimento: «Stati di legame elettrone-fonone illuminati magneticamente in una levitazione magnetica di van der Waals» di Emre Ergesen, Patir Elias, Dan Mao, Hui Chun-bo, Mehmet Burak Yilmaz, Jonghyun Kim, Jeon Park, T. Senthel e Noh Gedik , Canone 10 2 (gennaio) 2022, Comunicazioni sulla natura.
DOI: 10.1038 / s41467-021-27741-3

Questa ricerca è stata supportata in parte dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e dalla Fondazione Gordon e Betty Moore.