Físicos del MIT detectan distintas partículas híbridas con un solo «pegamento» intenso

Este invento podría allanar el camino para dispositivos electrónicos más pequeños y rápidos.

En el mundo de las partículas, a veces dos es mejor que uno. Tome pares de electrones, por ejemplo. Cuando dos electrones se unen, pueden deslizarse a través de un objeto sin fricción, dándole al objeto propiedades superconductoras especiales. Tal par de electrones, o pares de Cooper, es una especie de partícula híbrida, una mezcla de dos partículas que trabajan juntas con más propiedades que la suma de sus partes.

Ahora Con Los físicos han descubierto otro tipo de partícula híbrida en un objeto magnético bidimensional inusual. Determinaron que la partícula híbrida era un electrón y un fonón (una cuasipartícula producida a partir de los átomos en vibración de un objeto). Cuando midieron la fuerza entre el electrón y el fonón, encontraron que el pegamento, o enlace, era 10 veces más fuerte que cualquier otro híbrido electrón-fonón conocido hasta la fecha.

La unión excepcional de partículas sugiere que su electrón y fonón pueden sintonizarse juntos; Por ejemplo, cualquier cambio en el electrón debe afectar al teléfono y viceversa. En principio, los estímulos electrónicos como el voltaje o la luz aplicados a partículas híbridas excitan al electrón y también pueden afectar al fonón, lo que afecta las propiedades estructurales o magnéticas de un objeto. Tal control dual permite a los científicos modificar no solo sus propiedades eléctricas sino también su magnetismo aplicando voltaje o luz.

La mirada de un artista a los electrones integrados en los orbitales D que interactúan fuertemente con las ondas latitudinales (fonones). La estructura lobular representa la nube electrónica de iones de níquel en NiPS3, también conocidos como orbitales. Las ondas que emanan del sistema orbital representan oscilaciones de fonones. Las líneas rojas brillantes indican la formación de un estado de enlace entre los electrones y las vibraciones del café con leche. Crédito: Emre Erkessen

Los resultados son muy relevantes porque el equipo encontró la presencia de una partícula híbrida en el trisulfuro de fósforo y níquel (NiPS).₃), el objeto bidimensional ha atraído recientemente el interés por sus propiedades magnéticas. Si estas propiedades pueden manipularse, por ejemplo, con partículas híbridas recién descubiertas, los científicos esperan algún día inventar un nuevo tipo de semiconductor magnético que pueda convertirse en una electrónica más pequeña, más rápida y con mayor eficiencia energética.

Nu Kedik, profesor de física en el MIT, dijo: «Imagínese si pudiéramos disparar un electrón e inducir un campo magnético. Entonces podría hacer dispositivos muy diferentes de la forma en que funcionan hoy».

Gedik y sus colegas publicaron sus resultados en la edición del 10 de enero de 2022 de la revista contacto natural. Sus coautores en el MIT son Emre Erkesen, Patir Ilyas, Dan Mao, Hoi Chun Po, Mehmet Brook Yilmas y Senthil Dodatri, junto con Jungyun Kim y J-Jeon Park de la Universidad Nacional de Seúl en Corea.

Hojas de partículas

El campo de la física moderna de materiales comprimidos se centra en parte en la búsqueda de interacciones de objetos a nanoescala. Tales interacciones entre átomos, electrones y otras partículas subatómicas de un objeto pueden dar lugar a efectos sorprendentes como la superconductividad y otros fenómenos atractivos. Los físicos buscan estas interacciones comprimiendo sustancias químicas en la superficie para fusionar láminas de material bidimensional que pueden formarse tan delgadas como una capa atómica.

En 2018, un equipo de investigación en Corea descubrió algunas interacciones inesperadas en las hojas integradas de NiPS.₃, Un objeto bidimensional que se convierte en un imán antiferro a una temperatura muy baja de unos 150 Kelvin o -123 grados. Celsius. La microestructura del imán antiferro se asemeja al panal de átomos cuyos bucles están opuestos a sus vecinos. Por el contrario, un material ferromagnético está formado por átomos con bucles alineados en la misma dirección.

Al examinar NiPS₃El equipo encontró que una excitación atractiva era visible cuando el material se enfriaba por debajo de su cambio antiferromagnético, aunque la naturaleza exacta de las interacciones causales no estaba clara. Otro grupo encontró señales de una partícula híbrida, pero sus componentes exactos y su relación con esta excitación exótica no estaban claros.

Getty y sus colegas detectaron la partícula híbrida y se preguntaron si podría provocar la totalidad de las dos partículas, capturando sus movimientos característicos con un láser de alta velocidad.

Magnéticamente visible

En general, el movimiento de los electrones y otras partículas subatómicas es muy rápido, incluso con la cámara más rápida del mundo. El desafío es como fotografiar a una persona corriendo, dice Kedik. La imagen resultante está borrosa porque el obturador de la cámara permite que la luz capture la imagen, no lo suficientemente rápido, y la persona todavía está operando en el marco antes de que el obturador tome una imagen clara.

Para superar este problema, el equipo utilizó un láser ultrarrápido, que emite pulsos de luz que duran solo 25 femtosegundos (un femoseseg por segundo equivale a 1 billonésima de millonésima de segundo). Dividieron el pulso del láser en dos pulsos separados y los dirigieron a la muestra de NiPS.₃. Los dos pulsos se ajustaron entre sí con un ligero retraso, disparando así el primero o «pateando» la muestra, capturando la respuesta de la segunda muestra, con una resolución de tiempo de 25 femtosegundos. De esta manera, pudieron crear «películas» ultrarrápidas de las que se podían deducir las interacciones de diferentes partículas dentro del objeto.

En particular, midieron la cantidad exacta de luz reflejada por la muestra en función del tiempo entre dos pulsos. Si hay partículas híbridas esta reflexión debe cambiar de cierta manera. Esto sucedió cuando la muestra se enfrió por debajo de 150 Kelvin y el material se volvió antiferromagnético.

“Esta partícula híbrida solo es visible por debajo de cierta temperatura, cuando se activa el magnetismo”, dice Erksen.

Para identificar componentes específicos de la partícula, el equipo primero diferenció el color o la frecuencia del láser y encontró que la partícula híbrida era visible cuando había una frecuencia de luz reflejada alrededor de un tipo particular de cambio que ocurre durante un electrón. Se mueve entre dos orbitales D. Observaron el intervalo de patrones de tiempo visibles dentro del espectro de luz reflejada y descubrieron que coincidía con la energía de un tipo particular de fonón. Esto dejó en claro que la partícula híbrida contiene electrones orbitales D y excitaciones de este fonón en particular.

Desarrollaron algunos modelos más basados ​​en sus mediciones y encontraron que la fuerza que une el electrón al electrón es 10 veces más fuerte que la estimada para otros híbridos electrón-fonón conocidos.

“Una forma posible de usar estas partículas híbridas es permitir que un componente se combine y el otro se transforme indirectamente”, dice Elias. «De esa manera, puedes cambiar las propiedades de un objeto, como el estado magnético del sistema».

Nota: Emre Erkesen, Patir Ilyas, Dan Mao, Hoi Chun Po, Mehmet Brook Yilmas, Jungyun Kim, J-Kyun Park, d. Senthil y Nuh Kedik «Posiciones de unión de electrones y fonones oscuros iluminadas magnéticamente en el imán antifero de Van der Waals» 10 de enero de 2022, contacto natural.
DOI: 10.1038 / s41467-021-27741-3

La investigación fue apoyada en parte por el Departamento de Energía de los Estados Unidos y la Fundación Gordon & Betty Moore.