Šis atradimas gali suteikti kelią mažesniems, greitesniems elektroniniams prietaisams.

Dalelių pasaulyje kartais du yra geriau nei vienas. Paimkime, pavyzdžiui, elektronų poras. Kai du elektronai susijungia, jie gali slysti per medžiagą be trinties, suteikdami medžiagai superlaidžias savybes. Šie dvigubi elektronai arba Kuperio poros yra hibridinių dalelių tipas – dviejų dalelių, kurios elgiasi kaip viena dalelė, junginys, kurio savybės yra didesnės nei jos dalių suma.

dabar su Fizikai neįprastoje dvimatėje magnetinėje medžiagoje atrado kitą hibridinių dalelių tipą. Jie nustatė, kad hibridinė dalelė yra elektrono ir fonono (kvazidalelės, pagamintos iš vibruojančios medžiagos atomų) mišinys. Išmatavę jėgą tarp elektrono ir fonono, jie nustatė, kad guma arba ryšys yra 10 kartų stipresnis nei bet kuris kitas iki šiol žinomas elektrono ir fonono hibridas.

Išskirtinis dalelės ryšys rodo, kad dalelės elektronas ir fononas gali būti derinami vienas šalia kito; Pavyzdžiui, bet koks elektrono pokytis turėtų paveikti fononą ir atvirkščiai. Iš esmės hibridinei dalelei taikomas elektroninis sužadinimas, pvz., įtampa ar šviesa, gali sužadinti elektroną taip, kaip paprastai, taip pat veikia fononą, paveikdamas medžiagos struktūrines arba magnetines savybes. Toks dvigubas valdymas leistų mokslininkams pritaikyti medžiagai įtampą arba šviesą, kad sureguliuotų ne tik jos elektrines savybes, bet ir magnetizmą.

Menininko įspūdis apie elektronus, lokalizuotus d orbitalėse, stipriai sąveikaujančius su grotelių virpesių bangomis (fononais). Skilties struktūra vaizduoja nikelio jonų elektronų debesį NiPS3, dar vadinamą orbitomis. Orbitinės struktūros skleidžiamos bangos atspindi fonono virpesius. Raudonos švytinčios linijos rodo susijusios būsenos susidarymą tarp elektronų ir gardelės virpesių. Kreditas: Emre Ergecin

Rezultatai buvo ypač svarbūs, nes komanda nustatė nikelio-fosforo trisulfido (NiPS) hibridinę dalelę.₃), dvimatė medžiaga, kuri neseniai patraukė dėmesį dėl savo magnetinių savybių. Jei šiomis savybėmis bus galima manipuliuoti, pavyzdžiui, naudojant naujai atrastas hibridines daleles, mokslininkai mano, kad vieną dieną ši medžiaga gali būti naudinga kaip naujo tipo magnetiniai puslaidininkiai, kurie gali būti pagaminti į mažesnę, greitesnę ir energiją taupančią elektroniką.

„Įsivaizduokite, ar galėtume sužadinti elektroną ir magnetizmo atsaką“, – sako MIT fizikos profesorius Nohas Gedikas. „Tuomet galėsite padaryti įrenginius visiškai kitokius nei jie veikia šiandien.”

Jedek ir kolegos paskelbė savo rezultatus 2022 m. sausio 10 d Gamtos komunikacijos. Tarp bendraautorių yra Emre Ergesen, Patir Elias, Dan Mao, Hui Chun-bo, Mehmet Burak Yilmaz ir Senthil Todadri iš MIT, taip pat Junghyun Kim ir Je-Geun Park iš Seulo nacionalinio universiteto Korėjoje.

dalelių lakštai

Šiuolaikinės kondensuotųjų medžiagų fizikos sritis iš dalies orientuota į medžiagos sąveikos nanoskalėje tyrimus. Tokios medžiagos atomų, elektronų ir kitų subatominių dalelių sąveikos gali sukelti stebinančių rezultatų, tokių kaip superlaidumas ir kiti keisti reiškiniai. Fizikai šios sąveikos ieško kondensuodami chemines medžiagas ant paviršių, sudarydami dvimačių medžiagų lakštus, kurie gali būti tokie ploni kaip vienas atominis sluoksnis.

2018 m. Korėjos tyrimų grupė aptiko netikėtų NiPS kompozicinių plokščių sąveikų₃, dvimatė medžiaga, kuri tampa antimagnetine esant labai žemai maždaug 150 K arba -123 laipsnių temperatūrai. Celsijaus. Antimagneto mikrostruktūra primena korinį atomų tinklą, kuris sukasi, kad stiklainiai nesisuka. Priešingai, feromagnetinė medžiaga susideda iš atomų, kurie sukasi ta pačia kryptimi.

NiPS فحص tyrime₃, ta grupė atrado, kad keistas sužadinimas tapo matomas medžiagai atvėsus savo antimagnetiniam perėjimui, nors tikslus atsakingų sąveikų pobūdis nebuvo aiškus. Kita grupė rado hibridinės dalelės požymių, tačiau tikslūs jos komponentai ir ryšys su šiuo keistu sužadinimu taip pat nebuvo aiškūs.

Gidickas ir jo kolegos stebėjosi, ar jie galėtų aptikti hibridinę dalelę ir išgauti dvi daleles, kurios sudaro visumą, užfiksuodami jų judesius itin greitu lazeriu.

magnetiškai matomas

Elektronų ir kitų subatominių dalelių judėjimas paprastai yra labai greitas fotografuojamas net ir naudojant greičiausią pasaulyje fotoaparatą. Iššūkis yra tarsi nufotografuoti ką nors bėgantį, sako Gedekas. Gautas vaizdas yra neryškus, nes užraktas, leidžiantis šviesai užfiksuoti vaizdą, nėra pakankamai greitas, o žmogus vis dar dirba kadre, kol užraktas gali padaryti aiškią nuotrauką.

Norėdami išspręsti šią problemą, komanda panaudojo itin greitą lazerį, skleidžiantį vos 25 femtosekundes trunkančius šviesos impulsus (viena femtosekundė yra milijoninė milijardinė sekundės dalis). Jie padalija lazerio impulsą į du atskirus impulsus ir nukreipia juos į NiPS mėginį₃. Du impulsai nustatomi su nedideliu vėlavimu vienas nuo kito, kad pirmasis stimuliuotų arba „spardytų“ mėginį, o antrasis užfiksuotų mėginio atsaką, kurio laiko skiriamoji geba yra 25 femtosekundės. Tokiu būdu jie sugebėjo sukurti itin greitus „filmus“, iš kurių buvo galima spręsti apie įvairių dalelių sąveiką materijoje.

Visų pirma, jie išmatavo tikslų šviesos, atsispindėjusios iš mėginio, kiekį kaip laiko tarp dviejų impulsų funkciją. Šis atspindys turi tam tikru būdu keistis hibridinių molekulių atveju. Taip atsitiko, kai mėginys buvo atšaldomas žemiau 150 Kelvino laipsnių, kai medžiaga tampa antimagnetinė.

„Mes nustatėme, kad ši hibridinė dalelė buvo matoma tik esant tam tikrai temperatūrai, kai buvo įjungtas magnetizmas“, – sako Ergeçen.

Siekdama nustatyti konkrečius dalelės komponentus, komanda pakeitė pirmojo lazerio spalvą arba dažnį ir nustatė, kad hibridinė dalelė buvo matoma, kai atspindėtos šviesos dažnis buvo aplink tam tikrą perėjimą, kuris, kaip žinoma, vyksta kaip elektronas, judantis tarp dvi d orbitos. Jie taip pat pažvelgė į matomo periodinio modelio atstumą atspindėtos šviesos spektre ir nustatė, kad jis atitinka tam tikro tipo fonono energiją. Tai rodo, kad hibridinė dalelė susidaro sužadinant d orbitinius elektronus ir šį specifinį fononą.

Remdamiesi savo matavimais, jie atliko papildomą modeliavimą ir nustatė, kad jėga, jungianti elektroną su fononu, yra maždaug 10 kartų stipresnė nei buvo apskaičiuota kitiems elektronų-fonono hibridams.

„Vienas iš galimų būdų panaudoti šią hibridinę dalelę yra tai, kad jis gali leisti susieti vieną komponentą ir netiesiogiai suderinti kitą”, – sako Elias. „Tokiu būdu galite pakeisti medžiagos savybes, pavyzdžiui, sistemos magnetinę būseną.

Nuoroda: „Magnetiškai apšviestos tamsaus elektrono ir fonono surišimo būsenos van der Waalso magnetinėje levitacijoje“, autoriai Emre Ergesen, Patir Elias, Dan Mao, Hui Chun-bo, Mehmet Burak Yilmaz, Jonghyun Kim, Jeon Park, T. Senthel ir Noh Gedik , „Canon 10“, 2022 m. sausio 2 d. Gamtos komunikacijos.
DOI: 10.1038 / s41467-021-27741-3

Šį tyrimą iš dalies palaikė JAV Energetikos departamentas ir Gordono ir Betty Moore fondas.