Fisikawan MIT menemukan partikel hibrida aneh yang terperangkap bersama oleh ‘lem’ super padat

Fisikawan di Massachusetts Institute of Technology telah menemukan partikel hibrida dalam bahan magnet dua dimensi yang tidak biasa. Partikel hibrida adalah campuran elektron dan fonon. Kredit: Kristen Danilov, MIT

Penemuan ini dapat memberikan jalan ke perangkat elektronik yang lebih kecil dan lebih cepat.

Di dunia partikel, terkadang dua lebih baik dari satu. Ambil contoh, pasangan elektron. Ketika dua elektron terikat bersama, mereka dapat meluncur melalui material tanpa gesekan, memberikan sifat superkonduktor material. Elektron ganda ini, atau pasangan Cooper, adalah jenis partikel hibrida – senyawa dari dua partikel yang berperilaku sebagai partikel tunggal, dengan sifat lebih besar daripada jumlah bagian-bagiannya.

sekarang dengan Fisikawan telah menemukan jenis lain dari partikel hibrida dalam bahan magnetik dua dimensi yang tidak biasa. Mereka menentukan bahwa partikel hibrida adalah campuran elektron dan fonon (partikel kuasi yang dihasilkan dari atom bahan bergetar). Ketika mereka mengukur gaya antara elektron dan fonon, mereka menemukan bahwa gom, atau ikatan, 10 kali lebih kuat daripada hibrida elektron-fonon lainnya yang diketahui hingga saat ini.

Ikatan luar biasa partikel menunjukkan bahwa elektron dan fonon partikel dapat disetel secara berdampingan; Misalnya, setiap perubahan elektron harus mempengaruhi fonon, dan sebaliknya. Pada prinsipnya, eksitasi elektronik, seperti tegangan atau cahaya, diterapkan pada partikel hibrida dapat mengeksitasi elektron seperti biasanya, dan juga mempengaruhi fonon, yang mempengaruhi sifat struktural atau magnetik material. Kontrol ganda semacam itu dapat memungkinkan para ilmuwan untuk menerapkan tegangan atau cahaya ke bahan untuk menyesuaikan tidak hanya sifat listriknya tetapi juga magnetnya.

Kesan seniman tentang elektron yang terlokalisasi dalam orbital d yang berinteraksi kuat dengan gelombang getaran kisi (fonon). Struktur lobed menggambarkan awan elektron ion nikel di NiPS3, juga dikenal sebagai orbital. Gelombang yang dipancarkan oleh struktur orbit mewakili getaran fonon. Garis bercahaya merah menunjukkan pembentukan keadaan terkait antara elektron dan getaran kisi. Kredit: Emre Ergecin

Yang sangat relevan adalah hasilnya, karena tim mengidentifikasi partikel hibrida nikel-fosfor trisulfida (NiPS).₃), bahan dua dimensi yang baru-baru ini menarik perhatian karena sifat magnetiknya. Jika sifat-sifat ini dapat dimanipulasi, misalnya melalui partikel hibrida yang baru ditemukan, para ilmuwan percaya bahwa suatu hari bahan tersebut dapat berguna sebagai semikonduktor magnetik jenis baru, yang dapat dibuat menjadi elektronik yang lebih kecil, lebih cepat, dan lebih hemat energi.

“Bayangkan jika kita bisa membangkitkan elektron, dan respon magnetisme,” kata Noh Gedik, profesor fisika di MIT. “Kemudian Anda dapat membuat perangkat benar-benar berbeda dari cara kerjanya hari ini.”

Jedek dan rekan mempublikasikan hasil mereka pada 10 Januari 2022 di jurnal Komunikasi Alam. Rekan penulis termasuk Emre Ergesen, Patir Elias, Dan Mao, Hui Chun-bo, Mehmet Burak Yilmaz dan Senthil Todadri dari MIT, bersama dengan Junghyun Kim dan Je-Geun Park dari Universitas Nasional Seoul di Korea.

lembaran partikel

Bidang fisika materi terkondensasi modern difokuskan, sebagian, pada penelitian interaksi materi pada skala nano. Interaksi seperti itu antara atom materi, elektron, dan partikel subatomik lainnya dapat menghasilkan hasil yang mengejutkan, seperti superkonduktivitas dan fenomena aneh lainnya. Fisikawan mencari interaksi ini dengan memadatkan bahan kimia pada permukaan untuk membentuk lembaran bahan dua dimensi, yang bisa setipis lapisan atom tunggal.

Pada tahun 2018, sebuah grup riset di Korea menemukan beberapa interaksi tak terduga di panel komposit NiPS₃, bahan dua dimensi yang menjadi antimagnetik pada suhu yang sangat rendah sekitar 150 K, atau -123 derajat Celsius. Struktur mikro antimagnet menyerupai jaring sarang lebah dari atom yang berputar anti-spin toplesnya. Sebaliknya, bahan feromagnetik terdiri dari atom-atom yang berputar sejajar dalam arah yang sama.

Dalam uji NiPS₃, kelompok itu menemukan bahwa eksitasi aneh menjadi terlihat saat materi mendingin transisi antimagnetiknya, meskipun sifat pasti dari interaksi yang bertanggung jawab tidak jelas. Kelompok lain menemukan tanda-tanda partikel hibrida, tetapi komponen dan hubungannya yang tepat dengan eksitasi aneh ini juga tidak jelas.

Gidick dan rekan-rekannya bertanya-tanya apakah mereka bisa mendeteksi partikel hibrida, dan mendapatkan dua partikel yang membentuk keseluruhan, dengan menangkap gerakan tanda tangan mereka dengan laser ultracepat.

terlihat secara magnetis

Pergerakan elektron dan partikel subatomik lainnya biasanya sangat cepat untuk difoto, bahkan dengan kamera tercepat di dunia. Tantangannya seperti memotret orang yang sedang berlari, kata Gedek. Gambar yang dihasilkan buram karena rana, yang memungkinkan cahaya menangkap gambar, tidak cukup cepat, dan orang tersebut masih bekerja di bingkai sebelum rana dapat mengambil gambar yang jelas.

Untuk mengatasi masalah ini, tim menggunakan laser ultracepat yang memancarkan pulsa cahaya yang berlangsung hanya 25 femtodetik (satu femtodetik adalah sepersejuta miliar detik). Mereka membagi pulsa laser menjadi dua pulsa terpisah dan mengarahkannya ke sampel NiPS₃. Kedua pulsa diatur dengan sedikit penundaan satu sama lain sehingga yang pertama merangsang, atau “menendang” sampel, dan yang kedua menangkap respons sampel, dengan resolusi waktu 25 femtodetik. Dengan cara ini, mereka mampu membuat “film” ultracepat dari mana interaksi berbagai partikel dalam materi dapat disimpulkan.

Secara khusus, mereka mengukur jumlah pasti cahaya yang dipantulkan dari sampel sebagai fungsi waktu antara dua pulsa. Refleksi ini harus berubah dengan cara tertentu dalam kasus molekul hibrida. Ini ternyata menjadi kasus ketika sampel didinginkan di bawah 150 derajat Kelvin, ketika bahan menjadi antimagnetik.

“Kami menemukan bahwa partikel hibrida ini hanya terlihat di bawah suhu tertentu, ketika magnet dihidupkan,” kata Ergeçen.

Untuk menentukan komponen partikel tertentu, tim mengubah warna atau frekuensi laser pertama dan menemukan bahwa partikel hibrida terlihat ketika frekuensi cahaya yang dipantulkan berada di sekitar jenis transisi tertentu yang diketahui terjadi sebagai elektron yang bergerak antara dua orbital d. Mereka juga melihat jarak pola periodik yang terlihat dalam spektrum cahaya yang dipantulkan dan menemukan bahwa itu cocok dengan energi jenis fonon tertentu. Ini menunjukkan bahwa partikel hibrid dibentuk oleh eksitasi elektron orbital d dan fonon spesifik ini.

Mereka melakukan beberapa pemodelan tambahan berdasarkan pengukuran mereka dan menemukan bahwa gaya yang mengikat elektron ke fonon sekitar 10 kali lebih kuat daripada yang diperkirakan untuk hibrida elektron-fonon lainnya.

“Salah satu cara potensial untuk memanfaatkan partikel hibrida ini adalah memungkinkan Anda memasangkan satu komponen dan secara tidak langsung menyetel yang lain,” kata Elias. “Dengan cara ini, Anda dapat mengubah sifat-sifat material, seperti keadaan magnetik sistem.”

Referensi: “Keadaan pengikatan fonon elektron gelap yang diterangi secara magnetis dalam levitasi magnetik van der Waals” oleh Emre Ergesen, Patir Elias, Dan Mao, Hui Chun-bo, Mehmet Burak Yilmaz, Jonghyun Kim, Jeon Park, T. Senthel dan Noh Gedik , Canon 10 2 (Januari) 2022, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038 / s41467-021-27741-3

Penelitian ini didukung sebagian oleh Departemen Energi AS dan Yayasan Gordon dan Betty Moore.