MITの物理学者は、超高密度の「接着剤」によって一緒に閉じ込められた奇妙なハイブリッド粒子を発見します

マサチューセッツ工科大学の物理学者は、珍しい二次元磁性材料の中にハイブリッド粒子を発見しました。 ハイブリッド粒子は、電子とフォノンの混合物です。 クレジット：Kristen Danilov、MIT

この発見は、より小さく、より高速な電子機器への道を提供する可能性があります。

パーティクルの世界では、2つが1つよりも優れている場合があります。 たとえば、電子対を考えてみましょう。 2つの電子が結合すると、摩擦なしに材料をすべり、材料に超伝導特性を与えることができます。 これらの二重電子、またはクーパー対は、ハイブリッド粒子の一種です。これは、単一の粒子として動作する2つの粒子の化合物であり、その部分の合計よりも大きな特性を備えています。

たった今 と 物理学者は、珍しい二次元磁性材料の中に別のタイプのハイブリッド粒子を発見しました。 彼らは、ハイブリッド粒子が電子とフォノン（振動する物質の原子から生成された準粒子）の混合物であると判断しました。 彼らが電子とフォノンの間の力を測定したとき、彼らはガム、または結合がこれまでに知られている他のどの電子-フォノンハイブリッドよりも10倍強いことを発見しました。

粒子の並外れた結合は、粒子の電子とフォノンを並べて調整できることを示しています。 たとえば、電子の変化はフォノンに影響を与えるはずであり、その逆も同様です。 原則として、ハイブリッド粒子に印加される電圧や光などの電子励起は、通常どおりに電子を励起することができ、フォノンにも影響を与え、材料の構造的または磁気的特性に影響を与えます。 このような二重制御により、科学者は材料に電圧または光を印加して、その電気的特性だけでなくその磁性も調整することができます。

格子振動波（フォノン）と強く相互作用するd軌道に局在する電子の芸術家の印象。 ローブ構造は、軌道としても知られるNiPS3のニッケルイオンの電子雲を表しています。 軌道構造から放出される波は、フォノンの振動を表しています。 赤い光る線は、電子と格子振動の間に関連する状態が形成されていることを示しています。 クレジット：Emre Ergecin

チームがニッケル-リン三硫化物（NiPS）ハイブリッド粒子を特定したため、特に関連性のある結果が得られました。₃）、その磁気特性で最近注目を集めている二次元材料。 これらの特性を、たとえば新しく発見されたハイブリッド粒子を介して操作できる場合、科学者は、この材料がいつの日か、より小さく、より速く、よりエネルギー効率の高い電子機器にできる新しいタイプの磁性半導体として役立つ可能性があると信じています。

「電子と磁気応答を励起できるかどうか想像してみてください」とMITの物理学教授であるNohGedikは言います。 「そうすれば、デバイスを現在の動作とは完全に異なるものにすることができます。」

Jedekらは、2022年1月10日にジャーナルに結果を発表しました。 ネイチャーコミュニケーションズ。 共著者には、MITのEmre Ergesen、Patir Elias、Dan Mao、Hui Chun-bo、Mehmet Burak Yilmaz、Senthil Todadri、韓国のソウル国立大学のJunghyunKimとJe-GeunParkが含まれます。

粒子シート

現代の凝縮物質物理学の分野は、部分的には、ナノスケールでの物質の相互作用の研究に焦点を合わせています。 物質の原子、電子、その他の亜原子粒子間のこのような相互作用は、超伝導やその他の奇妙な現象などの驚くべき結果につながる可能性があります。 物理学者は、表面に化学物質を凝縮させて、単一の原子層と同じくらい薄い2次元材料のシートを形成することにより、これらの相互作用を探します。

2018年、韓国の研究グループがNiPS複合パネルで予期しない相互作用を発見しました₃、約150 K、つまり-123度の非常に低い温度で耐磁性になる2次元材料 摂氏。 反磁石の微細構造は、それらの瓶を反回転させる原子のハニカムウェブに似ています。 対照的に、強磁性体は、同じ方向に整列して回転する原子で構成されます。

NiPSでفحصアッセイ₃、そのグループは、原因となる相互作用の正確な性質は明らかではありませんでしたが、材料がその反磁性遷移を冷却するにつれて奇妙な励起が見えるようになることを発見しました。 別のグループはハイブリッド粒子の兆候を発見しましたが、その正確な成分とこの奇妙な励起との関係も明確ではありませんでした。

ギディックと彼の同僚は、超高速レーザーで特徴的な動きを捉えることで、ハイブリッド粒子を検出し、全体を構成する2つの粒子を引き出すことができるかどうか疑問に思いました。

磁気的に見える

電子やその他の亜原子粒子の動きは、世界最速のカメラを使用した場合でも、通常は非常に高速に撮影できます。 挑戦は走っている人の写真を撮るようなものです、とGedekは言います。 光が画像を捉えることができるシャッターが十分に速くなく、シャッターが鮮明な写真を撮ることができる前に人がまだフレームで作業しているため、結果の画像はぼやけています。

この問題を回避するために、チームはわずか25フェムト秒（1フェムト秒は100万分の1秒）続く光のパルスを放出する超高速レーザーを使用しました。 彼らはレーザーパルスを2つの別々のパルスに分割し、それらをNiPSに向けます。₃。 2つのパルスは、最初のパルスがサンプルを刺激または「キック」し、2番目のパルスが25フェムト秒の時間分解能でサンプルの応答をキャプチャするように、互いにわずかな遅延で設定されます。 このようにして、物質内のさまざまな粒子の相互作用を推測できる超高速の「映画」を作成することができました。

特に、彼らは2つのパルス間の時間の関数としてサンプルから反射された光の正確な量を測定しました。 ハイブリッド分子の場合、この反射は特定の方法で変化する必要があります。 これは、材料が耐磁性になるときに、サンプルが150ケルビン未満に冷却された場合に当てはまることが判明しました。

「このハイブリッド粒子は、磁性がオンになっている特定の温度でのみ見えることがわかりました」とErgeçen氏は言います。

粒子の特定の成分を決定するために、チームは最初のレーザーの色または周波数を変更し、反射光の周波数が、間を移動する電子として発生することが知られている特定のタイプの遷移の周りにあるときにハイブリッド粒子が見えることを発見しました2つのd軌道。 彼らはまた、反射光スペクトル内の可視周期パターンの間隔を調べ、それが特定のタイプのフォノンのエネルギーと一致することを発見しました。 これは、ハイブリッド粒子がd軌道電子とこの特定のフォノンの励起によって形成されていることを示しています。

彼らは、測定に基づいていくつかの追加のモデリングを行い、電子をフォノンに結合する力が、他の電子-フォノンハイブリッドで推定された力よりも約10倍強いことを発見しました。

「このハイブリッド粒子を利用する1つの潜在的な方法は、一方のコンポーネントをペアリングし、もう一方のコンポーネントを間接的に調整できるようにすることです」とエリアス氏は言います。 「このようにして、システムの磁気状態など、材料の特性を変更できます。」

参考：「ファンデルワールス磁気浮上における磁気照明された暗電子-フォノン結合状態」Emre Ergesen、Patir Elias、Dan Mao、Hui Chun-bo、Mehmet Burak Yilmaz、Jonghyun Kim、Jeon Park、T。Senthel、Noh Gedik 、Canon 10 2nd（January）2022、 ネイチャーコミュニケーションズ。
DOI：10.1038 / s41467-021-27741-3

この研究は、米国エネルギー省とゴードンアンドベティムーア財団によって部分的にサポートされていました。