MIT fizikçileri, süper yoğun ‘tutkal’ tarafından birbirine hapsolmuş garip hibrit parçacıkları keşfetti

Keşif, daha küçük, daha hızlı elektronik cihazlara giden bir yol sağlayabilir.

Parçacık dünyasında, bazen iki birden daha iyidir. Örneğin elektron çiftlerini ele alalım. İki elektron birbirine bağlandığında, malzemede sürtünme olmadan kayarak malzemeye süper iletken özellikler kazandırabilirler. Bu çift elektronlar veya Cooper çiftleri, bir tür hibrit parçacıktır – özellikleri, parçalarının toplamından daha büyük olan tek bir parçacık gibi davranan iki parçacığın bir bileşimi.

şu anda ile Fizikçiler, alışılmadık bir iki boyutlu manyetik malzemede başka bir hibrit parçacık türü keşfettiler. Bir hibrit parçacığın bir elektron ve bir fononun (titreşen bir malzemenin atomlarından üretilen yarı parçacık) bir karışımı olduğunu belirlediler. Elektron ve fonon arasındaki kuvveti ölçtüklerinde, zamk veya bağın bugüne kadar bilinen diğer elektron-fonon hibritlerinden on kat daha güçlü olduğunu buldular.

Parçacığın olağanüstü bağı, parçacığın elektron ve fononunun yan yana ayarlanabileceğini gösterir; Örneğin, elektrondaki herhangi bir değişiklik fononu etkilemeli ve bunun tersi de geçerlidir. Prensipte, hibrit bir parçacığa uygulanan voltaj veya ışık gibi elektronik uyarım, elektronu normalde olduğu gibi uyarabilir ve ayrıca fononu da etkileyerek malzemenin yapısal veya manyetik özelliklerini etkiler. Böyle bir ikili kontrol, bilim adamlarının bir malzemeye yalnızca elektriksel özelliklerini değil aynı zamanda manyetizmasını da ayarlamak için voltaj veya ışık uygulamalarına olanak sağlayabilir.

Bir sanatçının, ızgaralı titreşim dalgaları (fononlar) ile güçlü bir şekilde etkileşime giren d orbitallerinde lokalize olan elektronlara ilişkin izlenimi. Loblu yapı, NiPS3’te orbital olarak da bilinen nikel iyonlarının elektron bulutunu gösterir. Yörünge yapısı tarafından yayılan dalgalar, fonon titreşimlerini temsil eder. Kırmızı parlayan çizgiler, elektronlar ve kafes titreşimleri arasında ilişkili bir durumun oluşumunu gösterir. Kredi bilgileri: Emre Ergecin

Ekip bir nikel-fosfor trisülfid (NiPS) hibrit partikülü belirlediğinden, sonuçlar özellikle alakalıydı.₃), son zamanlarda manyetik özellikleriyle dikkat çeken iki boyutlu bir malzeme. Bu özellikler, örneğin yeni keşfedilen hibrit parçacıklar yoluyla manipüle edilebilirse, bilim adamları, malzemenin bir gün daha küçük, daha hızlı ve daha enerji verimli elektroniklere dönüştürülebilen yeni bir manyetik yarı iletken türü olarak faydalı olabileceğine inanıyor.

MIT fizik profesörü Noh Gedik, “Bir elektronu ve manyetizma tepkisini heyecanlandırabileceğimizi hayal edin” diyor. “O zaman, cihazları bugün çalıştıklarından tamamen farklı hale getirebilirsiniz.”

Jedek ve meslektaşları sonuçlarını 10 Ocak 2022’de dergide yayınladılar. Doğa İletişimi. Ortak yazarlar arasında MIT’den Emre Ergesen, Patir Elias, Dan Mao, Hui Chun-bo, Mehmet Burak Yılmaz ve Senthil Todadri ile Kore’deki Seul Ulusal Üniversitesi’nden Junghyun Kim ve Je-Geun Park yer alıyor.

parçacık levhaları

Modern yoğun madde fiziği alanı, kısmen maddedeki etkileşimleri nano ölçekte araştırmaya odaklanmıştır. Maddenin atomları, elektronlar ve diğer atom altı parçacıklar arasındaki bu tür etkileşimler, süperiletkenlik ve diğer garip fenomenler gibi şaşırtıcı sonuçlara yol açabilir. Fizikçiler, tek bir atomik katman kadar ince olabilen iki boyutlu malzeme tabakaları oluşturmak için kimyasalları yüzeylerde yoğunlaştırarak bu etkileşimleri ararlar.

2018’de Kore’deki bir araştırma grubu, NiPS kompozit panellerde bazı beklenmedik etkileşimler keşfetti.₃yaklaşık 150 K veya -123 derece gibi çok düşük sıcaklıklarda antimanyetik hale gelen iki boyutlu bir malzeme santigrat. Antimıknatısın mikro yapısı, kavanozlarını anti-döndüren bir petek atom ağını andırıyor. Buna karşılık, bir ferromanyetik malzeme, aynı yönde hizalanmış olarak dönen atomlardan oluşur.

NiPS فحص testinde₃, bu grup, sorumlu etkileşimlerin kesin doğası net olmasa da, malzeme antimanyetik geçişini soğuturken garip uyarımın görünür hale geldiğini keşfetti. Başka bir grup, bir melez parçacığın belirtilerini buldu, ancak kesin bileşenleri ve bu garip uyarımla ilişkisi de net değildi.

Gidick ve meslektaşları, hibrit parçacığı tespit edip edemediklerini merak ettiler ve ultra hızlı bir lazerle imza hareketlerini yakalayarak bütünü oluşturan iki parçacığı ortaya çıkardılar.

manyetik olarak görünür

Elektronların ve diğer atom altı parçacıkların hareketi, dünyanın en hızlı kamerasıyla bile fotoğraf çekmek için genellikle çok hızlıdır. Gedek, zorluğun koşan birinin fotoğrafını çekmek gibi olduğunu söylüyor. Ortaya çıkan görüntü bulanık çünkü ışığın görüntüyü yakalamasını sağlayan deklanşör yeterince hızlı değil ve deklanşör net bir fotoğraf çekmeden önce kişi hala çerçeve içinde çalışıyor.

Ekip, bu sorunu aşmak için yalnızca 25 femtosaniye (bir femtosaniye, saniyenin milyarda birinin milyonda biridir) süren ışık darbeleri yayan ultra hızlı bir lazer kullandı. Lazer darbesini iki ayrı darbeye bölerler ve bunları bir NiPS örneğine yönlendirirler.₃. İki darbe, ilkinin numuneyi uyarması veya “tekmelemesi” ve ikincisi 25 femtosaniyelik bir zaman çözünürlüğü ile numunenin yanıtını yakalaması için birbirinden hafif bir gecikmeyle ayarlanır. Bu şekilde, madde içindeki çeşitli parçacıkların etkileşimlerinin çıkarılabileceği ultra hızlı “filmler” oluşturabildiler.

Özellikle, iki darbe arasındaki zamanın bir fonksiyonu olarak numuneden yansıyan ışığın tam miktarını ölçtüler. Bu yansıma, hibrit moleküller durumunda belirli bir şekilde değişmelidir. Bu, numunenin 150 derece Kelvin’in altına soğutulduğunda, malzeme antimanyetik hale geldiğinde ortaya çıktı.

Ergeçen, “Bu hibrit parçacığın yalnızca belirli bir sıcaklıkta, manyetizma açıldığında görülebildiğini bulduk” diyor.

Parçacığın belirli bileşenlerini belirlemek için ekip, ilk lazerin rengini veya frekansını değiştirdi ve yansıyan ışığın frekansı, aralarında hareket eden bir elektron olarak meydana geldiği bilinen belirli bir geçiş türü etrafında olduğunda hibrit parçacığın görünür olduğunu buldu. iki d yörünge Ayrıca yansıyan ışık tayfı içindeki görünür periyodik modelin aralığına baktılar ve bunun belirli bir fonon türünün enerjisiyle eşleştiğini buldular. Bu, hibrit parçacığın, d orbital elektronlarının ve bu özel fononun uyarılmasıyla oluştuğunu gösterir.

Ölçümlerine dayanarak bazı ek modellemeler yaptılar ve elektronu fonona bağlayan kuvvetin, diğer elektron-fonon hibritleri için tahmin edilenden yaklaşık 10 kat daha güçlü olduğunu buldular.

Elias, “Bu hibrit parçacıktan yararlanmanın potansiyel bir yolu, bir bileşeni eşleştirmenize ve diğerini dolaylı olarak ayarlamanıza izin vermesidir” diyor. “Bu şekilde, sistemin manyetik durumu gibi bir malzemenin özelliklerini değiştirebilirsiniz.”

Referans: Emre Ergesen, Patir Elias, Dan Mao, Hui Chun-bo, Mehmet Burak Yılmaz, Jonghyun Kim, Jeon Park, T. Senthel ve Noh Gedik tarafından “Manyetik olarak aydınlatılmış karanlık elektron-fonon bağlanma durumları bir van der Waals manyetik levitasyonunda” , Canon 10 2. (Ocak) 2022, Doğa İletişimi.
DOI: 10.1038 / s41467-021-27741-3

Bu araştırma kısmen ABD Enerji Bakanlığı ve Gordon ve Betty Moore Vakfı tarafından desteklenmiştir.