agosto 12, 2022

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Los físicos del MIT descubren extrañas partículas híbridas atrapadas juntas por un ‘pegamento’ súper denso

Físicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts han descubierto una partícula híbrida en un material magnético bidimensional inusual. Una partícula híbrida es una mezcla de un electrón y un fonón. Crédito: Kristen Danilov, MIT

El descubrimiento podría proporcionar un camino hacia dispositivos electrónicos más pequeños y rápidos.

En el mundo de las partículas, a veces dos es mejor que uno. Tomemos, por ejemplo, los pares de electrones. Cuando dos electrones se unen, pueden deslizarse a través de un material sin fricción, dando al material propiedades superconductoras. Estos electrones dobles, o pares de Cooper, son un tipo de partícula híbrida, un compuesto de dos partículas que se comportan como una sola partícula, con propiedades superiores a la suma de sus partes.

ahora con Los físicos han descubierto otro tipo de partícula híbrida en un material magnético bidimensional inusual. Determinaron que una partícula híbrida es una mezcla de un electrón y un fonón (una cuasipartícula producida a partir de átomos de un material en vibración). Cuando midieron la fuerza entre el electrón y el fonón, encontraron que la goma, o enlace, es diez veces más fuerte que cualquier otro híbrido electrón-fonón conocido hasta la fecha.

El enlace excepcional de la partícula indica que el electrón y el fonón de la partícula se pueden sintonizar uno al lado del otro; Por ejemplo, cualquier cambio en el electrón debería afectar al fonón y viceversa. En principio, la excitación electrónica, como un voltaje o una luz, aplicada a una partícula híbrida puede excitar al electrón como lo haría normalmente y también afecta al fonón, afectando las propiedades estructurales o magnéticas del material. Tal control dual podría permitir a los científicos aplicar voltaje o luz a un material para ajustar no solo sus propiedades eléctricas sino también su magnetismo.

Los electrones interactúan fuertemente con las ondas de vibración de rejilla.

Impresión de un artista de electrones localizados en orbitales d que interactúan fuertemente con ondas de vibración de rejilla (fonones). La estructura lobulada representa la nube de electrones de iones de níquel en NiPS3, también conocidos como orbitales. Las ondas emitidas por la estructura orbital representan vibraciones de fonones. Las líneas rojas brillantes indican la formación de un estado asociado entre los electrones y las vibraciones de la red. Crédito: Emre Ergecin

Particularmente relevantes fueron los resultados, ya que el equipo identificó una partícula híbrida de trisulfuro de níquel-fósforo (NiPS).3), un material bidimensional que recientemente ha llamado la atención por sus propiedades magnéticas. Si estas propiedades se pueden manipular, por ejemplo a través de partículas híbridas recién descubiertas, los científicos creen que el material algún día podría ser útil como un nuevo tipo de semiconductor magnético, que se puede convertir en dispositivos electrónicos más pequeños, más rápidos y más eficientes energéticamente.

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«Imagínese si pudiéramos excitar un electrón y la respuesta del magnetismo», dice Noh Gedik, profesor de física en el MIT. «Entonces puedes hacer que los dispositivos sean completamente diferentes de cómo funcionan hoy».

Jedek y sus colegas publicaron sus resultados el 10 de enero de 2022 en la revista Comunicaciones de la naturaleza. Los coautores incluyen a Emre Ergesen, Patir Elias, Dan Mao, Hui Chun-bo, Mehmet Burak Yilmaz y Senthil Todadri del MIT, junto con Junghyun Kim y Je-Geun Park de la Universidad Nacional de Seúl en Corea.

hojas de partículas

El campo de la física moderna de la materia condensada se centra, en parte, en la investigación de las interacciones en la materia a nanoescala. Tales interacciones entre átomos de materia, electrones y otras partículas subatómicas pueden conducir a resultados sorprendentes, como la superconductividad y otros fenómenos extraños. Los físicos buscan estas interacciones condensando sustancias químicas en las superficies para formar láminas de materiales bidimensionales, que pueden ser tan delgadas como una sola capa atómica.

En 2018, un grupo de investigación en Corea descubrió algunas interacciones inesperadas en los paneles compuestos de NiPS.3, un material bidimensional que se vuelve antimagnético a temperaturas muy bajas de unos 150 K, o -123 grados. Celsius. La microestructura del antiimán se asemeja a una red de panal de átomos que giran en sus frascos. Por el contrario, un material ferromagnético consta de átomos que giran alineados en la misma dirección.

En ensayo NiPS فحص3, ese grupo descubrió que la extraña excitación se hizo visible a medida que el material enfriaba su transición antimagnética, aunque la naturaleza exacta de las interacciones responsables no estaba clara. Otro grupo encontró signos de una partícula híbrida, pero tampoco estaban claros sus componentes exactos y su relación con esta extraña excitación.

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Gidick y sus colegas se preguntaron si podrían detectar la partícula híbrida y obtener las dos partículas que forman el todo al capturar sus movimientos característicos con un láser ultrarrápido.

magnéticamente visible

El movimiento de electrones y otras partículas subatómicas suele ser muy rápido de fotografiar, incluso con la cámara más rápida del mundo. El desafío es como tomar una foto de alguien corriendo, dice Gedek. La imagen resultante es borrosa porque el obturador, que permite que la luz capture la imagen, no es lo suficientemente rápido y la persona aún está trabajando en el cuadro antes de que el obturador pueda tomar una imagen clara.

Para solucionar este problema, el equipo utilizó un láser ultrarrápido que emite pulsos de luz que duran solo 25 femtosegundos (un femtosegundo es una millonésima de una billonésima de segundo). Dividen el pulso del láser en dos pulsos separados y los dirigen a un NiPS.3. Los dos pulsos se configuran con un ligero retraso entre sí para que el primero estimule o «patee» la muestra y el segundo capture la respuesta de la muestra, con una resolución de tiempo de 25 femtosegundos. De esta manera, pudieron crear «películas» ultrarrápidas a partir de las cuales se podían inferir las interacciones de varias partículas dentro de la materia.

En particular, midieron la cantidad exacta de luz reflejada por la muestra en función del tiempo entre los dos pulsos. Esta reflexión debe cambiar en cierto modo en el caso de moléculas híbridas. Este resultó ser el caso cuando la muestra se enfrió por debajo de los 150 grados Kelvin, cuando el material se vuelve antimagnético.

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«Descubrimos que esta partícula híbrida solo era visible a cierta temperatura, cuando se encendía el magnetismo», dice Ergeçen.

Para determinar los componentes específicos de la partícula, el equipo cambió el color o la frecuencia del primer láser y descubrió que la partícula híbrida era visible cuando la frecuencia de la luz reflejada estaba alrededor de un tipo específico de transición que se sabe que ocurre cuando un electrón se mueve entre dos orbitales d. También observaron el espaciado del patrón periódico visible dentro del espectro de luz reflejada y descubrieron que coincidía con la energía de un tipo particular de fonón. Esto demuestra que la partícula híbrida se forma por la excitación de los electrones del orbital d y este fonón específico.

Hicieron algunos modelos adicionales basados ​​en sus mediciones y descubrieron que la fuerza que une el electrón al fonón es aproximadamente 10 veces más fuerte que lo que se ha estimado para otros híbridos electrón-fonón.

«Una forma potencial de aprovechar esta partícula híbrida es que puede permitirle emparejar un componente y sintonizar indirectamente el otro», dice Elias. «De esta manera, puedes cambiar las propiedades de un material, como el estado magnético del sistema».

Referencia: «Estados de unión de fonones y electrones oscuros iluminados magnéticamente en una levitación magnética de van der Waals» por Emre Ergesen, Patir Elias, Dan Mao, Hui Chun-bo, Mehmet Burak Yilmaz, Jonghyun Kim, Jeon Park, T. Senthel y Noh Gedik , Canon 10 2 (enero) 2022, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41467-021-27741-3

Esta investigación fue financiada en parte por el Departamento de Energía de EE. UU. y la Fundación Gordon y Betty Moore.