麻省理工学院的物理学家发现了被超致密“胶水”困在一起的奇怪混合粒子

这一发现可以提供一条通往更小、更快的电子设备的途径。

在粒子世界中，有时二比一好。 以电子对为例。 当两个电子结合在一起时，它们可以在没有摩擦的情况下滑过材料，从而使材料具有超导特性。 这些双电子或库珀对是一种混合粒子——两种粒子的化合物，表现为单个粒子，其性质大于其各部分的总和。

现在 和 物理学家在一种不寻常的二维磁性材料中发现了另一种杂化粒子。 他们确定混合粒子是电子和声子（由振动材料的原子产生的准粒子）的混合物。 当他们测量电子和声子之间的力时，他们发现胶或键比迄今为止已知的任何其他电子 – 声子混合物强十倍。

粒子的特殊结合表明粒子的电子和声子可以并排调谐； 例如，电子的任何变化都会影响声子，反之亦然。 原则上，施加到混合粒子上的电子激发（例如电压或光）可以像通常那样激发电子，并且还会影响声子，从而影响材料的结构或磁性。 这种双重控制可以使科学家们将电压或光施加到材料上，不仅可以调整其电性能，还可以调整其磁性。

位于 d 轨道中的电子与光栅振动波（声子）强烈相互作用的艺术家印象。 叶片结构描绘了 NiPS3 中镍离子的电子云，也称为轨道。 轨道结构发出的波代表声子振动。 红色发光线表示电子和晶格振动之间形成了关联状态。 学分：埃姆雷·埃尔金

结果特别相关，因为该团队确定了一种镍-三硫化二磷 (NiPS) 杂化粒子。₃)，一种二维材料，最近因其磁性而备受关注。 如果可以操纵这些特性，例如通过新发现的混合粒子，科学家们相信，这种材料有朝一日可以用作一种新型磁性半导体，可以制成更小、更快、更节能的电子产品。

麻省理工学院物理学教授 Noh Gedik 说：“想象一下，如果我们能激发电子和磁响应。” “然后你可以让这些设备与它们今天的工作方式完全不同。”

Jedek 及其同事于 2022 年 1 月 10 日在期刊上发表了他们的研究结果 自然通讯. 合著者包括麻省理工学院的 Emre Ergesen、Patir Elias、Dan Mao、Hui Chun-bo、Mehmet Burak Yilmaz 和 Senthil Todadri，以及韩国首尔国立大学的 Junghyun Kim 和 Je-Geun Park。

颗粒片

现代凝聚态物理领域的部分重点是研究纳米尺度的物质相互作用。 物质原子、电子和其他亚原子粒子之间的这种相互作用会导致令人惊讶的结果，例如超导性和其他奇怪的现象。 物理学家通过在表面上凝结化学物质来寻找这些相互作用，以形成二维材料片，这些材料可以像单个原子层一样薄。

2018年，韩国的一个研究小组在NiPS复合板中发现了一些意想不到的相互作用₃，一种二维材料，在约 150 K 或 -123 度的极低温度下变得抗磁性 摄氏度. 反磁体的微观结构类似于一个由原子组成的蜂窝网，它们在反自旋它们的罐子。 相反，铁磁材料由沿相同方向旋转排列的原子组成。

在 NiPS فحص 测定中₃，该小组发现，随着材料冷却其反磁转变，奇怪的激发变得可见，尽管负责相互作用的确切性质尚不清楚。 另一组发现了混合粒子的迹象，但它的确切成分以及与这种奇怪激发的关系也不清楚。

Gidick 和他的同事想知道他们是否可以检测到混合粒子，并通过用超快激光捕捉它们的标志性运动来引出构成整体的两个粒子。

磁性可见

拍摄电子和其他亚原子粒子的运动通常非常快，即使使用世界上最快的相机也是如此。 Gedek 说，挑战就像给跑步的人拍照。 生成的图像是模糊的，因为允许光线捕捉图像的快门速度不够快，而且在快门可以拍出清晰的照片之前，人仍在画面中工作。

为了解决这个问题，该团队使用了一种超快激光器，它发出的光脉冲仅持续 25 飞秒（一飞秒是十亿分之一秒的百万分之一）。 他们将激光脉冲分成两个单独的脉冲，并将它们引导至 NiPS。₃. 这两个脉冲设置为彼此稍有延迟，以便第一个脉冲刺激或“踢”样品，第二个脉冲捕获样品的响应，时间分辨率为 25 飞秒。 通过这种方式，他们能够创造出超快的“电影”，从中可以推断出物质中各种粒子的相互作用。

特别是，他们测量了从样品反射的确切光量，作为两个脉冲之间时间的函数。 在杂化分子的情况下，这种反射必须以某种方式发生变化。 事实证明，当样品冷却到 150 开尔文以下时，材料变得抗磁时就是这种情况。

“我们发现这种混合粒子只有在一定的温度下才能看到，当磁性打开时，”Ergeçen 说。

为了确定粒子的特定成分，研究小组改变了第一道激光的颜色或频率，发现当反射光的频率在特定类型的跃迁附近时，混合粒子是可见的，这种跃迁已知是电子在两个 d 轨道。 他们还观察了反射光谱中可见周期性图案的间距，发现它与特定类型声子的能量相匹配。 这表明杂化粒子是由 d 轨道电子和该特定声子的激发形成的。

他们根据测量结果做了一些额外的建模，发现将电子与声子结合的力比其他电子-声子混合体所估计的强约 10 倍。

“利用这种混合粒子的一种潜在方法是，它可以让你配对一个组件并间接调整另一个组件，”埃利亚斯说。 “通过这种方式，您可以改变材料的特性，例如系统的磁性状态。”

参考： Emre Ergesen、Patir Elias、Dan Mao、Hui Chun-bo、Mehmet Burak Yilmaz、Jonghyun Kim、Jeon Park、T. Senthel 和 Noh Gedik 撰写的“范德华磁悬浮中的磁照明暗电子-声子结合态” , 佳能 10 2022 年 2 月 (1 月), 自然通讯.
DOI: 10.1038 / s41467-021-27741-3

这项研究得到了美国能源部和戈登和贝蒂摩尔基金会的部分支持。