Физики обнаружили гибридную частицу из электрона и фонона, соединенную уникальной связью
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, которые ведут 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 ученых 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 магнетизм», — говорит Нух Гедик, профессор физики Массачусетского технологического института. «Тогда мы могли бы создавать устройства, сильно отличающиеся от тех, которые работают сегодня».
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 физиков 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 сверхбыстрые «фильмы», из которых 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», — говорят исследователи.
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.
Ученые 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», — говорят исследователи. «Таким образом, вы можете изменить свойства материала, например, магнитное состояние системы».