MIT-Physiker entdecken seltsames Hybridteilchen, das von einzigartig intensivem „Kleber“ zusammengehalten wird

Die Entdeckung könnte einen Weg zu kleineren, schnelleren elektronischen Geräten bieten.

In der Partikelwelt sind manchmal zwei besser als eins. Nehmen wir zum Beispiel Elektronenpaare. Wenn zwei Elektronen miteinander verbunden sind, können sie reibungsfrei durch ein Material gleiten, was dem Material besondere supraleitende Eigenschaften verleiht. Solche gepaarten Elektronen oder Cooper-Paare sind eine Art Hybridteilchen – ein Verbund aus zwei Teilchen, der sich wie eins verhält, mit Eigenschaften, die größer sind als die Summe seiner Teile.

Jetzt MIT Physiker haben eine andere Art von Hybridteilchen in einem ungewöhnlichen, zweidimensionalen magnetischen Material entdeckt. Sie stellten fest, dass das Hybridteilchen eine Mischung aus Elektron und Phonon ist (ein Quasiteilchen, das aus den schwingenden Atomen eines Materials entsteht). Als sie die Kraft zwischen Elektron und Phonon maßen, stellten sie fest, dass der Klebstoff oder die Bindung zehnmal stärker war als jedes andere bisher bekannte Elektron-Phonon-Hybrid.

Die außergewöhnliche Bindung des Teilchens deutet darauf hin, dass sein Elektron und sein Phonon gemeinsam abgestimmt sein könnten; zum Beispiel sollte jede Änderung des Elektrons das Phonon beeinflussen und umgekehrt. Im Prinzip könnte eine an das Hybridteilchen angelegte elektronische Anregung wie Spannung oder Licht das Elektron wie gewohnt stimulieren und auch das Phonon beeinflussen, was die strukturellen oder magnetischen Eigenschaften eines Materials beeinflusst. Eine solche Doppelkontrolle könnte es Wissenschaftlern ermöglichen, Spannung oder Licht an ein Material anzulegen, um nicht nur seine elektrischen Eigenschaften, sondern auch seinen Magnetismus abzustimmen.

Künstlerische Darstellung von Elektronen, die in d-Orbitalen lokalisiert sind und stark mit Gitterschwingungswellen (Phononen) wechselwirken. Die lobuläre Struktur zeigt die Elektronenwolke von Nickelionen in NiPS3, auch Orbitale genannt. Die von der Orbitalstruktur ausgehenden Wellen repräsentieren Phononenschwingungen. Die rot leuchtenden Streifen zeigen die Bildung eines gebundenen Zustands zwischen Elektronen und Gitterschwingungen an. Bildnachweis: Emre Ergecen

Die Ergebnisse sind besonders relevant, da das Team das Hybridpartikel in Nickel-Phosphortrisulfid (NiPS₃), ein zweidimensionales Material, das aufgrund seiner magnetischen Eigenschaften in jüngster Zeit auf Interesse gestoßen ist. Wenn diese Eigenschaften beispielsweise durch die neu entdeckten Hybridpartikel manipuliert werden könnten, könnten Wissenschaftler das Material eines Tages als neuartiger magnetischer Halbleiter nutzen, der zu kleinerer, schnellerer und energieeffizienterer Elektronik verarbeitet werden könnte.

„Stellen Sie sich vor, wir könnten ein Elektron stimulieren und der Magnetismus reagiert“, sagt Nuh Gedik, Professor für Physik am MIT. „Dann könnte man Geräte ganz anders herstellen, als sie heute funktionieren.“

Gedik und seine Kollegen haben ihre Ergebnisse am 10. Januar 2022 in der Fachzeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation. Zu seinen Co-Autoren gehören Emre Ergeçen, Batyr Ilyas, Dan Mao, Hoi Chun Po, Mehmet Burak Yilmaz und Senthil Todadri vom MIT sowie Junghyun Kim und Je-Geun Park von der Seoul National University in Korea.

Partikelblätter

Das Gebiet der modernen Physik der kondensierten Materie konzentriert sich teilweise auf die Suche nach Wechselwirkungen in Materie auf der Nanoskala. Solche Wechselwirkungen zwischen den Atomen, Elektronen und anderen subatomaren Teilchen eines Materials können zu überraschenden Ergebnissen wie Supraleitung und anderen exotischen Phänomenen führen. Physiker suchen nach diesen Wechselwirkungen, indem sie Chemikalien auf Oberflächen kondensieren, um Schichten aus zweidimensionalen Materialien zu synthetisieren, die so dünn wie eine Atomschicht sein könnten.

2018 entdeckte eine Forschungsgruppe in Korea einige unerwartete Wechselwirkungen in synthetisierten Schichten von NiPS₃, ein zweidimensionales Material, das bei sehr niedrigen Temperaturen von etwa 150 Kelvin oder -123 Grad zu einem Antiferromagneten wird Celsius. Die Mikrostruktur eines Antiferromagneten ähnelt einem Wabengitter aus Atomen, deren Spins denen ihres Nachbarn entgegengesetzt sind. Im Gegensatz dazu besteht ein ferromagnetisches Material aus Atomen mit gleichgerichteten Spins.

Beim Sondieren von NiPS₃, entdeckte diese Gruppe, dass eine exotische Anregung sichtbar wird, wenn das Material unter seinen antiferromagnetischen Übergang abgekühlt wird, obwohl die genaue Natur der dafür verantwortlichen Wechselwirkungen unklar war. Eine andere Gruppe fand Anzeichen eines Hybridteilchens, aber auch seine genauen Bestandteile und sein Zusammenhang mit dieser exotischen Anregung waren nicht klar.

Gedik und seine Kollegen fragten sich, ob sie das Hybridteilchen erkennen und die beiden Teilchen, aus denen das Ganze besteht, herauskitzeln könnten, indem sie ihre charakteristischen Bewegungen mit einem superschnellen Laser einfangen.

Magnetisch sichtbar

Normalerweise sind die Bewegungen von Elektronen und anderen subatomaren Teilchen selbst mit der schnellsten Kamera der Welt zu schnell, um sie abzubilden. Die Herausforderung, sagt Gedik, ist vergleichbar mit dem Fotografieren einer rennenden Person. Das resultierende Bild ist verschwommen, weil der Verschluss der Kamera, der das Licht zur Aufnahme des Bildes durchlässt, nicht schnell genug ist und die Person noch im Bild läuft, bevor der Verschluss ein klares Bild aufnehmen kann.

Um dieses Problem zu umgehen, verwendete das Team einen ultraschnellen Laser, der Lichtpulse von nur 25 Femtosekunden Dauer aussendet (eine Femtosekunde ist 1 Millionstel einer Milliardstel Sekunde). Sie teilten den Laserpuls in zwei separate Pulse auf und richteten sie auf eine Probe von NiPS₃. Die beiden Pulse wurden mit einer leichten Verzögerung voneinander gesetzt, so dass der erste die Probe stimulierte oder „trat“, während der zweite die Reaktion der Probe mit einer Zeitauflösung von 25 Femtosekunden erfasste. Auf diese Weise konnten sie ultraschnelle „Filme“ erstellen, aus denen die Wechselwirkungen verschiedener Partikel innerhalb des Materials abgeleitet werden konnten.

Insbesondere maßen sie die genaue Lichtmenge, die von der Probe reflektiert wurde, als Funktion der Zeit zwischen den beiden Pulsen. Diese Reflexion sollte sich in gewisser Weise ändern, wenn Hybridpartikel vorhanden sind. Dies war der Fall, wenn die Probe unter 150 Kelvin abgekühlt wurde, wenn das Material antiferromagnetisch wird.

„Wir fanden heraus, dass dieses Hybridteilchen nur unterhalb einer bestimmten Temperatur sichtbar war, wenn der Magnetismus eingeschaltet ist“, sagt Ergeçen.

Um die spezifischen Bestandteile des Partikels zu identifizieren, variierte das Team die Farbe bzw bewegt sich zwischen zwei d-Orbitalen. Sie untersuchten auch den Abstand des periodischen Musters, das innerhalb des reflektierten Lichtspektrums sichtbar ist, und stellten fest, dass es der Energie einer bestimmten Art von Phonon entsprach. Dies verdeutlichte, dass das Hybridteilchen aus Anregungen von d-Orbitalelektronen und diesem spezifischen Phonon besteht.

Sie führten auf der Grundlage ihrer Messungen weitere Modellierungen durch und fanden heraus, dass die Kraft, die das Elektron mit dem Phonon bindet, etwa zehnmal stärker ist als die Schätzung für andere bekannte Elektron-Phonon-Hybride.

„Eine mögliche Möglichkeit, dieses Hybridpartikel zu nutzen, besteht darin, dass Sie eine der Komponenten koppeln und die andere indirekt abstimmen können“, sagt Ilyas. „Auf diese Weise könnte man die Eigenschaften eines Materials verändern, etwa den magnetischen Zustand des Systems.“

Referenz: „Magnetically Brightened Dark Electron-Phononbound States in a van der Waals antiferromagnetic“ von Emre Ergeçen, Batyr Ilyas, Dan Mao, Hoi Chun Po, Mehmet Burak Yilmaz, Junghyun Kim, Je-Geun Park, T. Senthil und Nuh Gedik , 10. Januar 2022, Naturkommunikation.
DOI: 10.1038/s41467-021-27741-3

Diese Forschung wurde teilweise vom US-Energieministerium und der Gordon and Betty Moore Foundation unterstützt.