Des physiciens du MIT découvrent d’étranges particules hybrides piégées ensemble par une « colle » ultra-dense

La découverte pourrait ouvrir la voie à des appareils électroniques plus petits et plus rapides.

Dans le monde des particules, parfois deux valent mieux qu’un. Prenons, par exemple, les paires d’électrons. Lorsque deux électrons se lient, ils peuvent glisser à travers un matériau sans frottement, conférant au matériau des propriétés supraconductrices. Ces doubles électrons, ou paires de Cooper, sont un type de particule hybride – un composé de deux particules qui se comportent comme une seule particule, avec des propriétés supérieures à la somme de ses parties.

à l’heure actuelle avec Les physiciens ont découvert un autre type de particule hybride dans un matériau magnétique bidimensionnel inhabituel. Ils ont déterminé qu’une particule hybride est un mélange d’un électron et d’un phonon (une quasi-particule produite à partir d’atomes d’un matériau vibrant). Lorsqu’ils ont mesuré la force entre l’électron et le phonon, ils ont découvert que la gomme, ou liaison, est dix fois plus résistante que tout autre hybride électron-phonon connu à ce jour.

La liaison exceptionnelle de la particule indique que l’électron et le phonon de la particule peuvent être réglés côte à côte ; Par exemple, tout changement dans l’électron devrait affecter le phonon, et vice versa. En principe, une excitation électronique, telle qu’une tension ou une lumière, appliquée à une particule hybride peut exciter l’électron comme elle le ferait normalement, et affecte également le phonon, affectant les propriétés structurelles ou magnétiques du matériau. Un tel double contrôle pourrait permettre aux scientifiques d’appliquer une tension ou une lumière à un matériau pour régler non seulement ses propriétés électriques mais aussi son magnétisme.

Vue d’artiste d’électrons localisés dans les orbitales d interagissant fortement avec les ondes vibratoires du réseau (phonons). La structure lobée représente le nuage d’électrons d’ions nickel dans NiPS3, également connu sous le nom d’orbitales. Les ondes émises par la structure orbitale représentent les vibrations des phonons. Les lignes rougeoyantes indiquent la formation d’un état associé entre les électrons et les vibrations du réseau. Crédit : Emre Ergecin

Les résultats ont été particulièrement pertinents, car l’équipe a identifié une particule hybride de nickel-trisulfure de phosphore (NiPS).₃), un matériau bidimensionnel qui a récemment attiré l’attention pour ses propriétés magnétiques. Si ces propriétés peuvent être manipulées, par exemple grâce à des particules hybrides récemment découvertes, les scientifiques pensent que le matériau pourrait un jour être utile en tant que nouveau type de semi-conducteur magnétique, qui peut être transformé en une électronique plus petite, plus rapide et plus économe en énergie.

« Imaginez si nous pouvions exciter un électron et la réponse du magnétisme », explique Noh Gedik, professeur de physique au MIT. « Ensuite, vous pouvez rendre les appareils complètement différents de leur fonctionnement actuel. »

Jedek et ses collègues ont publié leurs résultats le 10 janvier 2022 dans la revue Communication Nature. Les co-auteurs incluent Emre Ergesen, Patir Elias, Dan Mao, Hui Chun-bo, Mehmet Burak Yilmaz et Senthil Todadri du MIT, ainsi que Junghyun Kim et Je-Geun Park de l’Université nationale de Séoul en Corée.

feuilles de particules

Le domaine de la physique moderne de la matière condensée se concentre, en partie, sur la recherche d’interactions dans la matière à l’échelle nanométrique. De telles interactions entre atomes de matière, électrons et autres particules subatomiques peuvent conduire à des résultats surprenants, tels que la supraconductivité et d’autres phénomènes étranges. Les physiciens recherchent ces interactions en condensant des produits chimiques sur des surfaces pour former des feuilles de matériaux bidimensionnels, qui peuvent être aussi minces qu’une seule couche atomique.

En 2018, un groupe de recherche en Corée a découvert des interactions inattendues dans les panneaux composites NiPS₃, un matériau bidimensionnel qui devient antimagnétique à des températures très basses d’environ 150 K, soit -123 degrés ° C. La microstructure de l’anti-aimant ressemble à une toile en nid d’abeilles d’atomes qui font tourner leurs bocaux en anti-rotation. En revanche, un matériau ferromagnétique est constitué d’atomes qui tournent alignés dans la même direction.

En dosage NiPS فحص₃, ce groupe a découvert que l’excitation étrange est devenue visible lorsque le matériau a refroidi sa transition antimagnétique, bien que la nature exacte des interactions responsables ne soit pas claire. Un autre groupe a trouvé des signes d’une particule hybride, mais ses composants exacts et sa relation avec cette étrange excitation n’étaient pas clairs non plus.

Gidick et ses collègues se sont demandé s’ils pouvaient détecter la particule hybride et obtenir les deux particules qui composent l’ensemble, en capturant leurs mouvements de signature avec un laser ultrarapide.

visible magnétiquement

Le mouvement des électrons et autres particules subatomiques est généralement très rapide à photographier, même avec l’appareil photo le plus rapide du monde. Le défi est comme prendre une photo de quelqu’un qui court, dit Gedek. L’image résultante est floue car l’obturateur, qui permet à la lumière de capturer l’image, n’est pas assez rapide et la personne travaille toujours dans le cadre avant que l’obturateur ne puisse prendre une photo nette.

Pour contourner ce problème, l’équipe a utilisé un laser ultrarapide qui émet des impulsions lumineuses d’une durée de 25 femtosecondes seulement (une femtoseconde correspond à un millionième de milliardième de seconde). Ils divisent l’impulsion laser en deux impulsions distinctes et les dirigent vers un échantillon NiPS.₃. Les deux impulsions sont réglées avec un léger retard l’une par rapport à l’autre de sorte que la première stimule, ou « donne un coup de pied » à l’échantillon, et la seconde capture la réponse de l’échantillon, avec une résolution temporelle de 25 femtosecondes. De cette façon, ils ont pu créer des « films » ultrarapides à partir desquels les interactions de diverses particules au sein de la matière pouvaient être déduites.

En particulier, ils ont mesuré la quantité exacte de lumière réfléchie par l’échantillon en fonction du temps entre les deux impulsions. Cette réflexion doit changer d’une certaine manière dans le cas des molécules hybrides. Cela s’est avéré être le cas lorsque l’échantillon a été refroidi en dessous de 150 degrés Kelvin, lorsque le matériau devient antimagnétique.

« Nous avons découvert que cette particule hybride n’était visible qu’à une certaine température, lorsque le magnétisme était activé », explique Ergeçen.

Pour déterminer les composants spécifiques de la particule, l’équipe a changé la couleur ou la fréquence du premier laser et a découvert que la particule hybride était visible lorsque la fréquence de la lumière réfléchie était autour d’un type spécifique de transition connu pour se produire comme un électron se déplaçant entre deux orbitales d. Ils ont également examiné l’espacement du motif périodique visible dans le spectre de la lumière réfléchie et ont constaté qu’il correspondait à l’énergie d’un type particulier de phonon. Ceci montre que la particule hybride est formée par l’excitation d’électrons orbitaux d et de ce phonon spécifique.

Ils ont effectué une modélisation supplémentaire sur la base de leurs mesures et ont découvert que la force liant l’électron au phonon est environ 10 fois plus forte que ce qui a été estimé pour d’autres hybrides électron-phonon.

« Un moyen potentiel d’exploiter cette particule hybride est qu’elle peut vous permettre d’associer un composant et de régler indirectement l’autre », explique Elias. « De cette façon, vous pouvez modifier les propriétés d’un matériau, telles que l’état magnétique du système. »

Référence : « États de liaison électron-phonon sombres illuminés magnétiquement dans une lévitation magnétique de van der Waals » par Emre Ergesen, Patir Elias, Dan Mao, Hui Chun-bo, Mehmet Burak Yilmaz, Jonghyun Kim, Jeon Park, T. Senthel et Noh Gedik , Canon 10 2 (janvier) 2022, Communication Nature.
DOI : 10.1038 / s41467-021-27741-3

Cette recherche a été financée en partie par le département américain de l’Énergie et la Fondation Gordon et Betty Moore.