Físicos do MIT descobrem estranhas partículas híbridas presas por ‘cola’ superdensa

Electrons Interacting Strongly With Lattice Vibration Waves

Físicos do Instituto de Tecnologia de Massachusetts descobriram uma partícula híbrida em um material magnético bidimensional incomum. Uma partícula híbrida é uma mistura de um elétron e um fônon. Crédito: Kristen Danilov, MIT

A descoberta pode fornecer um caminho para dispositivos eletrônicos menores e mais rápidos.

No mundo das partículas, às vezes dois é melhor que um. Tomemos, por exemplo, pares de elétrons. Quando dois elétrons se unem, eles podem deslizar através de um material sem atrito, dando ao material propriedades supercondutoras. Esses elétrons duplos, ou pares de Cooper, são um tipo de partícula híbrida – um composto de duas partículas que se comportam como uma única partícula, com propriedades maiores que a soma de suas partes.

agora mesmo com Os físicos descobriram outro tipo de partícula híbrida em um material magnético bidimensional incomum. Eles determinaram que uma partícula híbrida é uma mistura de um elétron e um fônon (uma quase-partícula produzida a partir de átomos de um material vibrante). Quando mediram a força entre o elétron e o fônon, descobriram que a goma, ou ligação, é 10 vezes mais forte do que qualquer outro híbrido de elétron-fônon conhecido até hoje.

A ligação excepcional da partícula indica que o elétron e o fônon da partícula podem ser sintonizados lado a lado; Por exemplo, qualquer mudança no elétron deve afetar o fônon e vice-versa. Em princípio, a excitação eletrônica, como uma voltagem ou luz, aplicada a uma partícula híbrida pode excitar o elétron como faria normalmente, e também afeta o fônon, afetando as propriedades estruturais ou magnéticas do material. Esse controle duplo pode permitir que os cientistas apliquem tensão ou luz a um material para ajustar não apenas suas propriedades elétricas, mas também seu magnetismo.

Os elétrons interagem fortemente com as ondas de vibração da grade

A impressão de um artista de elétrons localizados em orbitais d interagindo fortemente com ondas de vibração de grade (fônons). A estrutura lobulada representa a nuvem eletrônica de íons de níquel no NiPS3, também conhecido como orbitais. As ondas emitidas pela estrutura orbital representam vibrações de fônons. As linhas vermelhas brilhantes indicam a formação de um estado associado entre os elétrons e as vibrações da rede. Crédito: Emre Ergecin

Particularmente relevantes foram os resultados, pois a equipe identificou uma partícula híbrida de trissulfeto de níquel-fósforo (NiPS).3), um material bidimensional que recentemente atraiu atenção por suas propriedades magnéticas. Se essas propriedades puderem ser manipuladas, por exemplo, por meio de partículas híbridas recém-descobertas, os cientistas acreditam que o material poderá um dia ser útil como um novo tipo de semicondutor magnético, que pode ser transformado em eletrônicos menores, mais rápidos e com maior eficiência energética.

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“Imagine se pudéssemos excitar um elétron e a resposta do magnetismo”, diz Noh Gedik, professor de física do MIT. “Então você pode tornar os dispositivos completamente diferentes de como eles funcionam hoje.”

Jedek e colegas publicaram seus resultados em 10 de janeiro de 2022 na revista Comunicações da Natureza. Os co-autores incluem Emre Ergesen, Patir Elias, Dan Mao, Hui Chun-bo, Mehmet Burak Yilmaz e Senthil Todadri do MIT, juntamente com Junghyun Kim e Je-Geun Park da Universidade Nacional de Seul na Coreia.

folhas de partículas

O campo da física da matéria condensada moderna está focado, em parte, na pesquisa de interações na matéria em nanoescala. Tais interações entre átomos de matéria, elétrons e outras partículas subatômicas podem levar a resultados surpreendentes, como supercondutividade e outros fenômenos estranhos. Os físicos procuram essas interações condensando produtos químicos em superfícies para formar folhas de materiais bidimensionais, que podem ser tão finos quanto uma única camada atômica.

Em 2018, um grupo de pesquisa na Coréia descobriu algumas interações inesperadas em painéis compostos NiPS3, um material bidimensional que se torna antimagnético a temperaturas muito baixas de cerca de 150 K, ou -123 graus Celsius. A microestrutura do antiímã se assemelha a uma teia de átomos em forma de favo de mel girando antigirando seus potes. Em contraste, um material ferromagnético consiste em átomos que giram alinhados na mesma direção.

No ensaio NiPS فحص3, esse grupo descobriu que a estranha excitação se tornava visível à medida que o material esfriava sua transição antimagnética, embora a natureza exata das interações responsáveis ​​não fosse clara. Outro grupo encontrou sinais de uma partícula híbrida, mas seus componentes exatos e a relação com essa estranha excitação também não ficaram claros.

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Gidick e seus colegas se perguntaram se poderiam detectar a partícula híbrida e extrair as duas partículas que compõem o todo, capturando seus movimentos característicos com um laser ultrarrápido.

magneticamente visível

O movimento de elétrons e outras partículas subatômicas costuma ser muito rápido para fotografar, mesmo com a câmera mais rápida do mundo. O desafio é como tirar uma foto de alguém correndo, diz Gedek. A imagem resultante fica embaçada porque o obturador, que permite que a luz capture a imagem, não é rápido o suficiente, e a pessoa ainda está trabalhando no quadro antes que o obturador possa tirar uma foto nítida.

Para contornar esse problema, a equipe usou um laser ultrarrápido que emite pulsos de luz com duração de apenas 25 femtossegundos (um femtosegundo é um milionésimo de bilionésimo de segundo). Eles dividem o pulso do laser em dois pulsos separados e os direcionam para uma amostra NiPS.3. Os dois pulsos são ajustados com um pequeno atraso um do outro para que o primeiro estimule, ou “chute” a amostra, e o segundo capture a resposta da amostra, com resolução temporal de 25 femtossegundos. Desta forma, eles foram capazes de criar “filmes” ultrarrápidos a partir dos quais as interações de várias partículas dentro da matéria podem ser inferidas.

Em particular, eles mediram a quantidade exata de luz refletida da amostra em função do tempo entre os dois pulsos. Essa reflexão deve mudar de certa forma no caso de moléculas híbridas. Este acabou por ser o caso quando a amostra foi resfriada abaixo de 150 graus Kelvin, quando o material se torna antimagnético.

“Descobrimos que essa partícula híbrida só era visível sob uma certa temperatura, quando o magnetismo era ligado”, diz Ergeçen.

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Para determinar os componentes específicos da partícula, a equipe mudou a cor ou a frequência do primeiro laser e descobriu que a partícula híbrida era visível quando a frequência da luz refletida estava em torno de um tipo específico de transição conhecido por ocorrer como um elétron se movendo entre dois orbitais d. Eles também observaram o espaçamento do padrão periódico visível dentro do espectro de luz refletido e descobriram que ele correspondia à energia de um tipo específico de fônon. Isso mostra que a partícula híbrida é formada pela excitação dos elétrons do orbital d e desse fônon específico.

Eles fizeram alguma modelagem adicional com base em suas medições e descobriram que a força que liga o elétron ao fônon é cerca de 10 vezes mais forte do que o que foi estimado para outros híbridos de elétron-fônon.

“Uma maneira potencial de aproveitar essa partícula híbrida é permitir que você emparelhe um componente e sintonize indiretamente o outro”, diz Elias. “Dessa forma, você pode alterar as propriedades de um material, como o estado magnético do sistema.”

Referência: “Estados de ligação elétron-fônon escuros magneticamente iluminados em uma levitação magnética de van der Waals” por Emre Ergesen, Patir Elias, Dan Mao, Hui Chun-bo, Mehmet Burak Yilmaz, Jonghyun Kim, Jeon Park, T. Senthel e Noh Gedik , Canon 10 2º (janeiro) 2022, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-021-27741-3

Esta pesquisa foi apoiada em parte pelo Departamento de Energia dos EUA e pela Fundação Gordon e Betty Moore.

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