Новая гибридная частица предлагает путь к меньшим и более быстрым электронным устройствам

В мире частиц иногда два лучше, чем один.

Возьмем, к примеру, электронные пары. Когда два электрона связаны вместе, они могут скользить по материалу без трения, что придает материалу особые сверхпроводящие свойства.

Такие спаренные электроны, или куперовские пары, представляют собой своего рода гибридную частицу — составную часть двух частиц, которая ведет себя как одна, со свойствами, превосходящими сумму ее частей.

Теперь физики Массачусетского технологического института обнаружили гибридную частицу другого типа в необычном двумерном магнитном материале.

Они определили, что гибридная частица представляет собой смесь электрона и фонона (квазичастица, которая образуется из вибрирующих атомов материала).

Когда они измерили силу между электроном и фононом, они обнаружили, что клей, или связь, в 10 раз прочнее, чем любой другой известный на сегодняшний день электрон-фононный гибрид.

Исключительная связь частицы предполагает, что ее электрон и фонон могут быть настроены в тандеме; например, любое изменение электрона должно повлиять на фонон, и наоборот.

В принципе, электронное возбуждение, такое как напряжение или свет, приложенное к гибридной частице, может стимулировать электрон, как обычно, а также воздействовать на фонон, который влияет на структурные или магнитные свойства материала.

Такое двойное управление могло бы позволить ученым применять напряжение или свет к материалу для настройки не только его электрических свойств, но и его магнетизма.

Результаты особенно актуальны, так как команда идентифицировала гибридную частицу в трисульфиде никеля и фосфора (NiPS3), двумерном материале, который в последнее время привлек внимание своими магнитными свойствами.

Ученые считают, что если бы этими свойствами можно было управлять, например, с помощью недавно обнаруженных гибридных частиц, этот материал можно было бы использовать в качестве нового типа магнитного полупроводника, который можно было бы превратить в меньшую, более быструю и более энергоэффективную электронику.

«Представьте, если бы мы могли стимулировать электрон и заставить реагировать на него магнетизм», — говорит Нух Гедик, профессор физики Массачусетского технологического института. «Тогда вы могли бы создавать устройства, сильно отличающиеся от того, как они работают сегодня».

Гедик и его коллеги опубликовали свои результаты сегодня в журнале Nature Communications. Его соавторами являются Эмре Эргечен, Батыр Ильяс, Дан Мао, Хой Чун По, Мехмет Бурак Йылмаз и Сентил Тодадри из Массачусетского технологического института, а также Чон Хён Ким и Дже-Гын Пак из Сеульского национального университета в Корее.

ДСП

Область современной физики конденсированных сред отчасти ориентирована на поиск взаимодействий в материи на наноуровне.

Такие взаимодействия между атомами материала, электронами и другими субатомными частицами могут привести к удивительным результатам, таким как сверхпроводимость и другие экзотические явления.

Физики ищут эти взаимодействия, конденсируя химические вещества на поверхности, чтобы синтезировать листы двумерных материалов, которые можно сделать тонкими, как один атомный слой.

В 2018 году исследовательская группа в Корее обнаружила некоторые неожиданные взаимодействия в синтезированных листах NiPS3, двумерного материала, который становится антиферромагнетиком при очень низких температурах около 150 кельвинов или -123 градуса Цельсия.

Микроструктура антиферромагнетика напоминает сотовую решетку атомов, спины которых противоположны спинам их соседей. Напротив, ферромагнитный материал состоит из атомов со спинами, ориентированными в одном направлении.

При исследовании NiPS3 эта группа обнаружила, что экзотическое возбуждение становится видимым, когда материал охлаждается ниже его антиферромагнитного перехода, хотя точная природа ответственных за это взаимодействий была неясна.

Другая группа обнаружила признаки гибридной частицы, но ее точные составляющие и связь с этим экзотическим возбуждением также не были ясны.

Гедик и его коллеги задались вопросом, смогут ли они обнаружить гибридную частицу и выделить две частицы, составляющие единое целое, уловив характерные для них движения с помощью сверхбыстрого лазера.

Магнитно видимый

Обычно движение электронов и других субатомных частиц слишком быстрое, чтобы его можно было запечатлеть даже с помощью самой быстрой камеры в мире.

Задача, по словам Гедика, похожа на фотографирование бегущего человека. Полученное изображение размыто, потому что затвор камеры, который пропускает свет для захвата изображения, работает недостаточно быстро, и человек все еще бежит в кадре, прежде чем затвор успевает сделать четкий снимок.

Чтобы обойти эту проблему, команда использовала сверхбыстрый лазер, излучающий световые импульсы длительностью всего 25 фемтосекунд (одна фемтосекунда составляет 1 миллионную от 1 миллиардной секунды). Они разделили лазерный импульс на два отдельных импульса и направили их на образец NiPS3.

Два импульса были установлены с небольшой задержкой друг относительно друга, так что первый стимулировал или «толкал» образец, а второй регистрировал реакцию образца с временным разрешением 25 фемтосекунд.

Таким образом, они смогли создать сверхбыстрое «кино», из которого можно было вывести взаимодействие различных частиц внутри материала.

В частности, они измерили точное количество света, отраженного от образца, в зависимости от времени между двумя импульсами.

Это отражение должно определенным образом меняться, если присутствуют гибридные частицы. Так оказалось при охлаждении образца ниже 150 кельвинов, когда материал стал антиферромагнитным.

«Мы обнаружили, что эта гибридная частица видна только при определенной температуре, когда включен магнетизм», — говорит Эргечен.

Чтобы определить конкретные составляющие частицы, команда изменила цвет или частоту первого лазера и обнаружила, что гибридная частица была видна, когда частота отраженного света была около определенного типа перехода, который, как известно, происходит, когда электрон перемещается между двумя d-орбиталями.

Они также изучили интервал периодического паттерна, видимого в спектре отраженного света, и обнаружили, что он соответствует энергии определенного вида фонона.

Это прояснило, что гибридная частица состоит из возбуждений d-орбитальных электронов и этого специфического фонона.

Они провели дальнейшее моделирование, основанное на своих измерениях, и обнаружили, что сила, связывающая электрон с фононом, примерно в 10 раз сильнее, чем то, что было оценено для других известных электрон-фононных гибридов.

«Один из потенциальных способов использования этой гибридной частицы заключается в том, что она может позволить вам соединиться с одним из компонентов и косвенно настроить другой», — говорит Ильяс. «Таким образом, вы можете изменить свойства материала, например, магнитное состояние системы».

Это исследование было частично поддержано Министерством энергетики США и Фондом Гордона и Бетти Мур.

Автор Дженнифер Чу.