I fisici del MIT hanno scoperto strane particelle ibride intrappolate insieme da una “colla” estremamente densa

Questa scoperta potrebbe aprire la strada a 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 sono legati insieme, possono scorrere attraverso il materiale senza attrito, conferendo al materiale le sue 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 le particelle ibride sono una miscela di elettroni e fononi (quasiparticelle prodotte da atomi di un materiale vibrante). Quando hanno misurato le forze tra elettroni e fononi, hanno scoperto che i ligandi, o legami, sono 10 volte più forti di qualsiasi altro ibrido elettrone-fonone conosciuto fino ad oggi.

L’insolito legame delle particelle mostra che gli elettroni ei fononi delle particelle possono essere sintonizzati in tandem; Ad esempio, qualsiasi cambiamento negli elettroni dovrebbe influenzare i fononi e viceversa. In linea di principio, l’eccitazione elettronica, come una tensione o una luce, applicata a una particella ibrida può eccitare gli elettroni come farebbero normalmente e influenzare anche i fononi, influenzando le proprietà strutturali o magnetiche del materiale. Tale doppio controllo potrebbe consentire agli scienziati di applicare tensione o luce ai materiali per regolare non solo le loro proprietà elettriche ma anche il loro magnetismo.

Rappresentazione artistica di elettroni localizzati negli orbitali d che interagiscono fortemente con le onde di vibrazione a reticolo (fononi). La struttura lobata descrive la nuvola di elettroni di ioni nichel in NiPS3, nota anche come orbitale. Le onde emesse dalla struttura orbitale rappresentano le vibrazioni fononiche. La linea rossa luminosa indica la formazione di uno stato legato tra gli elettroni e le vibrazioni del reticolo. Credito: Emre Ergecin

I risultati sono particolarmente rilevanti, in quanto il team ha identificato particelle ibride 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 fungere da nuovo tipo di semiconduttore magnetico, che potrebbe essere trasformato in un’elettronica più piccola, più veloce e più efficiente dal punto di vista energetico.

“Immagina se potessimo generare elettroni e il magnetismo risponderebbe”, ha detto Noh Gedek, 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 comunicazione naturale. I coautori includono Emre Ergsen, 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.

carta truccata

Il campo della moderna fisica della materia condensata si concentra, in parte, sullo studio delle interazioni della 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 perseguono questa interazione condensando sostanze chimiche sulla superficie per formare un foglio di materia bidimensionale, che può essere sottile come uno strato di singoli atomi.

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 antimagnetica ricorda un nido d’ape di atomi che ruota un vaso anti-rotazione. Al contrario, la materia ferromagnetica è costituita da atomi che ruotano parallelamente nella stessa direzione.

Nel test NiPS3, il gruppo ha scoperto che strane eccitazioni diventano evidenti quando il materiale raffredda la sua trasmissione antimagnetica, sebbene l’esatta natura delle interazioni responsabili non sia chiara. Un altro gruppo ha trovato segni di particelle ibride, ma anche i componenti e la loro esatta relazione con questa eccitazione esotica non sono chiari.

Gidick e i suoi colleghi si sono chiesti se potessero rilevare la particella ibrida e ottenere le due particelle che compongono il tutto, catturandone il movimento con un laser ultraveloce.

magneticamente visibile

Il movimento degli elettroni e di altre particelle subatomiche è solitamente molto veloce da fotografare, anche con le fotocamere più veloci del mondo. Giddick ha detto che la sfida è come scattare foto di persone che corrono. 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 risolvere 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 al campione NiPS3. I due impulsi sono sintonizzati con un leggero ritardo l’uno sull’altro in modo che il primo ecciti, o “calci” il campione, e il secondo raccolga 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 nella materia.

Nello specifico, hanno misurato l’esatta quantità di luce riflessa dal campione in funzione del tempo tra due impulsi. Questa inversione deve in qualche modo cambiare nel caso delle molecole ibride. Questo si è rivelato essere il caso quando il campione è stato raffreddato al di sotto di 150 gradi Kelvin, quando il materiale è diventato antimagnetico.

“Abbiamo scoperto che queste particelle ibride erano visibili solo al di sotto di una certa temperatura, quando il magnete è stato acceso”, ha affermato Ergeçen.

Per determinare una specifica componente della particella, il team ha prima cambiato il colore o la frequenza del laser e ha scoperto che le particelle ibride sono visibili quando la frequenza della luce riflessa è attorno a un tipo specifico di transizione nota che si verifica quando gli elettroni si muovono tra due d. orbitali. Hanno anche esaminato la gamma visibile dei modelli periodici nello spettro della luce riflessa e hanno scoperto che corrispondevano alle energie di alcuni tipi di fononi. Ciò indica che le particelle ibride sono formate dall’eccitazione di elettroni orbitali d e questi fononi specifici.

Hanno eseguito alcuni modelli aggiuntivi in ​​base alle loro misurazioni e hanno scoperto che le forze che trattengono gli elettroni sui fononi erano circa 10 volte più forti di quanto ci si aspetterebbe per altri ibridi elettrone-fononi.

“Un potenziale modo per trarre vantaggio da queste particelle ibride è quello di consentire di accoppiare un componente e sintonizzare indirettamente l’altro”, ha affermato Elias. “In questo modo, puoi modificare le proprietà del materiale, come lo stato magnetico del sistema”.

Riferimento: “Binding Case of Magnetically Illuminated Dark Electron Phonons in Van Der Waals Magnetosphere” di Emre Ergsen, Batyr Elias, Dan Mao, Hui Chunbo, Mehmet Burak Yilmaz, Jonghyun Kim, Jun Park, T Sentel e Noh Gedik 10, 2 gennaio 2022, comunicazione naturale.
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.

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