Fisikawan MIT menemukan partikel hibrida aneh yang disatukan oleh “lem” unik yang kuat

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

Di dunia partikel, terkadang dua lebih baik dari satu. Ambil pasangan elektron, misalnya. Ketika dua elektron terhubung satu sama lain, mereka dapat meluncur melalui material tanpa gesekan, yang memberikan sifat superkonduktor khusus pada material. Pasangan elektron atau pasangan Cooper semacam itu adalah sejenis partikel hibrida – gabungan dari dua partikel yang berperilaku sebagai satu, dengan sifat yang lebih besar daripada jumlah bagian-bagiannya.

sekarang DENGAN Fisikawan telah menemukan jenis partikel hibrida yang berbeda dalam bahan magnetik dua dimensi yang tidak biasa. Mereka menemukan bahwa partikel hibrida adalah campuran elektron dan fonon (kuasipartikel yang dibuat dari atom-atom bahan yang bergetar). Ketika mereka mengukur gaya antara elektron dan fonon, mereka menemukan bahwa lem atau ikatan itu sepuluh kali lebih kuat daripada hibrida elektron-fonon lainnya yang diketahui sebelumnya.

Ikatan partikel yang luar biasa menunjukkan bahwa elektron dan fononnya mungkin terkoordinasi bersama; misalnya, setiap perubahan elektron harus mempengaruhi fonon dan sebaliknya. Pada prinsipnya, eksitasi elektronik seperti tegangan atau cahaya yang diterapkan pada partikel hibrida dapat merangsang elektron seperti biasa dan juga mempengaruhi fonon, yang mempengaruhi sifat struktural atau magnetik suatu 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 artis tentang elektron yang terlokalisasi dalam orbital d dan yang berinteraksi kuat dengan gelombang getaran kisi (fonon). Struktur lobular menunjukkan awan elektron ion nikel di NiPS3, juga disebut orbital. Gelombang yang berasal dari struktur orbit mewakili getaran fonon. Garis-garis merah menyala menunjukkan pembentukan keadaan terikat antara elektron dan getaran kisi. Kredit foto: Emre Ergecen

Hasilnya sangat relevan karena tim menggunakan partikel hibrida dalam nikel-fosfor trisulfida (NiPS₃), bahan dua dimensi yang baru-baru ini menarik minat karena sifat magnetiknya. Misalnya, jika sifat-sifat ini dapat dimanipulasi oleh partikel hibrida yang baru ditemukan, bahan tersebut suatu hari nanti dapat berguna sebagai semikonduktor magnetik baru yang dapat dibuat menjadi elektronik yang lebih kecil, lebih cepat, dan lebih hemat energi.

“Bayangkan jika kita dapat merangsang elektron dan magnet akan bereaksi,” kata Nuh Gedik, profesor fisika di MIT. “Kemudian Anda dapat membuat perangkat dengan cara yang sama sekali berbeda dari cara kerjanya hari ini.”

Gedik dan rekan-rekannya mempublikasikan hasil mereka di jurnal pada 10 Januari 2022 Komunikasi alam. Rekan penulisnya termasuk Emre Ergeçen, Batyr Ilyas, Dan Mao, Hoi Chun Po, Mehmet Burak Yilmaz dan Senthil Todadri dari MIT, dan Junghyun Kim and Je-Geun Park dari Seoul National University di Korea.

Lembaran partikel

Bidang fisika materi terkondensasi modern sebagian berfokus pada pencarian interaksi materi pada skala nano. Interaksi seperti itu antara atom, elektron, dan partikel subatomik lain dari suatu material dapat menyebabkan hasil yang mengejutkan seperti superkonduktivitas dan fenomena eksotis lainnya. Fisikawan mencari interaksi ini dengan memadatkan bahan kimia pada permukaan untuk mensintesis lapisan bahan dua dimensi yang bisa setipis lapisan atom.

Pada tahun 2018, sebuah kelompok riset di Korea menemukan beberapa interaksi tak terduga dalam lapisan NiPS yang disintesis₃, bahan dua dimensi yang menjadi antiferromagnet pada suhu yang sangat rendah sekitar 150 Kelvin atau -123 derajat Celsius. Struktur mikro antiferromagnet menyerupai kisi sarang lebah atom yang spinnya berlawanan dengan tetangganya. Sebaliknya, bahan feromagnetik terdiri dari atom dengan putaran searah.

Saat memeriksa NiPS₃, kelompok ini menemukan bahwa stimulus eksotis menjadi terlihat ketika material didinginkan di bawah transisi antiferromagnetiknya, meskipun sifat pasti dari interaksi yang bertanggung jawab untuk itu tidak jelas. Kelompok lain menemukan bukti partikel hibrida, tetapi juga konstituen yang tepat dan hubungannya dengan stimulus eksotis ini tidak jelas.

Gedik dan rekan-rekannya bertanya-tanya apakah mereka bisa mengenali partikel hibrida dan mengeluarkan dua partikel yang membentuk semuanya dengan menangkap gerakan karakteristik mereka dengan laser super cepat.

Terlihat secara magnetis

Biasanya pergerakan elektron dan partikel subatomik lainnya terlalu cepat untuk dicitrakan bahkan dengan kamera tercepat di dunia. Tantangannya, kata Gedik, sebanding dengan memotret orang yang sedang berlari. Gambar yang dihasilkan buram karena rana kamera, yang memungkinkan cahaya masuk untuk menangkap gambar, tidak cukup cepat dan orang tersebut masih berjalan di dalam gambar sebelum rana dapat menangkap gambar yang jelas.

Untuk mengatasi masalah ini, tim menggunakan laser ultra-cepat yang memancarkan pulsa cahaya dengan durasi hanya 25 femtodetik (femtodetik adalah 1 juta dari satu 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 “melangkah” sampel, sedangkan yang kedua merekam respons sampel dengan resolusi waktu 25 femtodetik. Dengan cara ini, mereka mampu membuat “film” ultra-cepat dari mana interaksi berbagai partikel di dalam material dapat disimpulkan.

Secara khusus, mereka mengukur jumlah pasti cahaya yang dipantulkan dari sampel sebagai fungsi waktu antara dua pulsa. Refleksi ini harus berubah dalam beberapa cara ketika partikel hibrida hadir. Ini adalah kasus ketika sampel didinginkan di bawah 150 Kelvin ketika bahan menjadi antiferromagnetik.

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

Untuk mengidentifikasi komponen partikel tertentu, tim memvariasikan warna atau berpindah di antara dua orbital d. Mereka juga memeriksa jarak pola periodik yang terlihat dalam spektrum cahaya yang dipantulkan dan menemukan bahwa itu berhubungan dengan energi jenis fonon tertentu. Ini memperjelas bahwa partikel hibrida terdiri dari eksitasi dari elektron orbital d dan fonon spesifik ini.

Mereka melakukan pemodelan lebih lanjut berdasarkan pengukuran mereka dan menemukan bahwa gaya yang mengikat elektron ke fonon sekitar sepuluh kali lebih kuat daripada perkiraan untuk hibrida elektron-fonon lain yang diketahui.

“Salah satu cara yang mungkin untuk menggunakan partikel hibrida ini adalah Anda dapat memasangkan salah satu komponen dan menyetel yang lain secara tidak langsung,” kata Ilyas. “Dengan cara ini Anda bisa mengubah sifat-sifat material, seperti keadaan magnetik sistem.”

Referensi: “Magnetically Brightened Dark Electron-Phononbound States in a van der Waals antiferromagnetic” oleh Emre Ergeçen, Batyr Ilyas, Dan Mao, Hoi Chun Po, Mehmet Burak Yilmaz, Junghyun Kim, Taman Je-Geun, T. Senthil dan Nuh Gedik, 10 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.