I fisici del MIT hanno scoperto la presenza di una particella ibrida in un insolito oggetto magnetico bidimensionale. La particella ibrida è il mashup dell’elettrone e del fonone. Credito: Christine Daniloff, MIT
Questa invenzione potrebbe aprire la strada a dispositivi elettronici più piccoli e veloci.
Nel mondo delle particelle, a volte due è meglio di uno. Prendi le coppie di elettroni, per esempio. Quando due elettroni sono legati insieme, possono scorrere attraverso un oggetto senza attrito, conferendo all’oggetto speciali proprietà superconduttive. Tale coppia di elettroni, o coppie di Cooper, è una specie di particella ibrida, una miscela di due particelle che lavorano insieme con più proprietà della somma delle sue parti.
Ora Con I fisici hanno scoperto un altro tipo di particella ibrida in un insolito oggetto magnetico bidimensionale. Hanno determinato che la particella ibrida era un mashup di elettroni e fononi (una quasiparticella prodotta dagli atomi vibranti di un oggetto). Quando hanno misurato la forza tra l’elettrone e il fonone, hanno scoperto che la colla, o legame, era 10 volte più forte di qualsiasi altro ibrido elettrone-fonone conosciuto fino ad oggi.
L’eccezionale legame delle particelle suggerisce che il suo elettrone e il suo fonone possono essere sintonizzati insieme; Ad esempio, qualsiasi cambiamento nell’elettrone deve influenzare il telefono e viceversa. In linea di principio, gli stimoli elettronici come la tensione o la luce applicati a particelle ibride eccitano l’elettrone e possono anche influenzare il fonone, che influisce sulle proprietà strutturali o magnetiche di un oggetto. Tale doppio controllo consente agli scienziati di modificare non solo le sue proprietà elettriche ma anche il suo magnetismo applicando tensione o luce.
Uno sguardo d’artista agli elettroni incorporati negli orbitali D che interagiscono fortemente con le onde latitudinali (fononi). La struttura lobulare rappresenta la nuvola elettronica di ioni nichel in NiPS3, nota anche come orbitale. Le onde che emanano dal sistema orbitale rappresentano le oscillazioni fononiche. Le linee rosse luminose indicano la formazione di uno stato di legame tra gli elettroni e le vibrazioni del latte. Credito: Emre Erkessen
I risultati sono molto rilevanti perché il team ha riscontrato la presenza di una particella ibrida nel trisolfuro di nichel fosforo (NiPS).3), L’oggetto bidimensionale ha recentemente attirato l’interesse per le sue proprietà magnetiche. Se queste proprietà possono essere manipolate, ad esempio con particelle ibride scoperte di recente, gli scienziati sperano di inventare un giorno un nuovo tipo di semiconduttore magnetico che possa essere sviluppato in un’elettronica più piccola, più veloce e più efficiente dal punto di vista energetico.
Nu Kedik, professore di fisica al MIT, ha detto: “Immagina se potessimo innescare un elettrone e indurre un campo magnetico. Quindi potresti realizzare dispositivi molto diversi dal modo in cui funzionano oggi”.
Gedik e i suoi colleghi hanno pubblicato i loro risultati nel numero del 10 gennaio 2022 della rivista Contatto naturale. I suoi coautori al MIT sono Emre Erkesen, Patir Ilyas, Dan Mao, Hoi Chun Po, Mehmet Brook Yilmas e Senthil Dodatri, insieme a Jungyun Kim e J-Jeon Park della Seoul National University in Corea.
Fogli di particelle
Il campo della moderna fisica dei materiali compressi si concentra in parte sulla ricerca di interazioni di oggetti su scala nanometrica. Tali interazioni tra atomi, elettroni e altre particelle subatomiche di un oggetto possono portare a effetti sorprendenti come la superconduttività e altri fenomeni attraenti. I fisici cercano queste interazioni comprimendo sostanze chimiche sulla superficie per fondere fogli di materiale bidimensionale che possono essere formati sottili come uno strato atomico.
Nel 2018, un gruppo di ricerca in Corea ha scoperto alcune interazioni inaspettate nei fogli integrati di NiPS.3, Un oggetto bidimensionale che diventa un magnete antiferro a una temperatura molto bassa di circa 150 Kelvin o -123 gradi Centigrado. La microstruttura del magnete antiferro ricorda il nido d’ape di atomi i cui anelli sono opposti ai loro vicini. Al contrario, un materiale ferromagnetico è costituito da atomi con anelli allineati nella stessa direzione.
Nell’esaminare NiPS3Il team ha scoperto che un’eccitazione attraente era visibile quando il materiale veniva raffreddato al di sotto del suo cambiamento antiferromagnetico, sebbene l’esatta natura delle interazioni causali non fosse chiara. Un altro gruppo ha trovato segni di una particella ibrida, ma i suoi componenti esatti e la sua relazione con questa eccitazione esotica non erano chiari.
Gedik e i suoi colleghi sono stati in grado di rilevare particelle ibride e catturare i loro movimenti caratteristici con un laser ad alta velocità, chiedendosi se potevano stuzzicare le due particelle intere.
Magneticamente visibile
In generale, il movimento degli elettroni e di altre particelle subatomiche è molto veloce, anche con la fotocamera più veloce del mondo. La sfida è come fotografare una persona che corre, dice Kedik. L’immagine risultante è sfocata perché l’otturatore della fotocamera consente alla luce di catturare l’immagine, non abbastanza velocemente, e la persona sta ancora operando nell’inquadratura prima che l’otturatore acquisisca un’immagine nitida.
Per ovviare a questo problema, il team ha utilizzato un laser ultraveloce, che emette impulsi luminosi della durata di soli 25 femtosecondi (un femosecondo è 1 miliardesimo di milionesimo di secondo). Hanno diviso l’impulso laser in due impulsi separati e li hanno indirizzati al campione NiPS3. I due impulsi sono stati impostati tra loro con un leggero ritardo, innescando così il primo o “scalciando” il campione, filmando la risposta del secondo campione, con una risoluzione di 25 femtosecondi. In questo modo, sono stati in grado di creare “filmati” ultraveloci da cui è stato possibile dedurre le interazioni di diverse particelle all’interno dell’oggetto.
In particolare, hanno misurato l’esatta quantità di luce riflessa dal campione in funzione del tempo tra due impulsi. Se ci sono particelle ibride questa riflessione deve cambiare in un certo modo. Ciò è accaduto quando il campione è stato raffreddato al di sotto di 150 kelvin e il materiale è diventato antiferromagnetico.
“Questa particella ibrida è visibile solo al di sotto di una certa temperatura, quando il magnetismo è attivato”, afferma Erksen.
Per identificare componenti specifici della particella, il team ha prima differenziato il colore o la frequenza del laser e ha scoperto che la particella ibrida era visibile quando c’era una frequenza di luce riflessa attorno a un particolare tipo di cambiamento che si verifica durante un elettrone. Si sposta tra due orbitali D. Hanno esaminato l’intervallo di modelli temporali visibili all’interno dello spettro della luce riflessa e hanno scoperto che corrispondeva all’energia di un particolare tipo di fonone. Ciò ha chiarito che la particella ibrida contiene elettroni D-orbitali ed eccitazioni di questo particolare fonone.
Hanno sviluppato altri modelli basati sulle loro misurazioni e hanno scoperto che la forza che lega l’elettrone all’elettrone è 10 volte più forte di quella stimata per altri noti ibridi elettrone-fonone.
“Un possibile modo per utilizzare queste particelle ibride è consentire a un componente di combinarsi e all’altro di trasformarsi indirettamente”, afferma Elias. “In questo modo, puoi modificare le proprietà di un oggetto, come lo stato magnetico del sistema.”
Nota: Emre Erkesen, Patir Ilyas, Dan Mao, Hoi Chun Po, Mehmet Brook Yilmas, Jungyun Kim, J-Kyun Park, m. Senthil e Nuh Kedik “Posizioni di legame di elettroni scuri e fononi magnetici illuminati nel magnete antifero di Van der Waals”, 10 gennaio 2022, Contatto naturale.
DOI: 10.1038 / s41467-021-27741-3
La ricerca è stata in parte supportata dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e dalla Gordon & Betty Moore Foundation.
