Físicos del MIT detectan una extraña partícula híbrida unida por un «pegamento» extraordinariamente intenso

El descubrimiento podría ofrecer un camino hacia dispositivos electrónicos más pequeños y rápidos.

En el mundo de las partículas, a veces dos es mejor que uno. Tomemos, por ejemplo, los pares de electrones. Cuando dos electrones se unen, pueden deslizarse a través de un material sin fricción, dándole al material propiedades superconductoras especiales. Estos electrones acoplados, o pares de Cooper, son una especie de partícula híbrida, un compuesto de dos partículas que se comportan como una sola, con propiedades superiores a la suma de sus partes.

Ahora CON Los físicos han detectado otro tipo de partícula híbrida en un material magnético bidimensional inusual. Determinaron que la partícula híbrida es una combinación de un electrón y un fonón (una cuasipartícula producida por los átomos en vibración de un material). Cuando midieron la fuerza entre el electrón y el fonón, encontraron que el pegamento, o enlace, era 10 veces más fuerte que cualquier otro híbrido electrón-fonón conocido hasta la fecha.

El enlace excepcional de la partícula sugiere que su electrón y fonón podrían sintonizarse en tándem; por ejemplo, cualquier modificación del electrón debería afectar al fonón y viceversa. En principio, una excitación electrónica, como voltaje o luz, aplicada a la partícula híbrida podría estimular el electrón como lo haría normalmente y también afectar al fonón, lo que afecta las propiedades estructurales o magnéticas de un material. Tal verificación doble podría permitir a los científicos aplicar voltaje o luz a un material para optimizar no solo sus propiedades eléctricas sino también su magnetismo.

Una impresión artística de electrones ubicados en los orbitales d interactuando fuertemente con las ondas de vibración de la red (fonones). La estructura lobular representa la nube de electrones de iones de níquel en NiPS3, también conocida como orbital. Las ondas que emanan de la estructura orbital representan oscilaciones de fonones. Las rayas rojas brillantes indican la formación de un estado enlazado entre los electrones y las vibraciones de la red. Crédito: Emre Ergecen

Los hallazgos son particularmente relevantes, ya que el equipo identificó la partícula híbrida en el trisulfuro de fósforo y níquel (NiPS₃), un material bidimensional que recientemente ha despertado interés por sus propiedades magnéticas. Si estas propiedades pudieran manipularse, por ejemplo a través de partículas híbridas recién detectadas, los científicos creen que algún día el material podría ser útil como un nuevo tipo de semiconductor magnético, que podría transformarse en dispositivos electrónicos más pequeños, más rápidos y más eficientes energéticamente.

«Imagínese poder estimular un electrón y hacer que el magnetismo responda», dice Nuh Gedik, profesor de física en el MIT. «Entonces podrías crear dispositivos que son muy diferentes de cómo funcionan hoy».

Gedik y sus colegas publicaron sus hallazgos el 10 de enero de 2022 en la revista Comunicaciones de la naturaleza. Sus coautores incluyen a Emre Ergeçen, Batyr Ilyas, Dan Mao, Hoi Chun Po, Mehmet Burak Yilmaz y Senthil Todadri en el MIT, junto con Junghyun Kim y Je-Geun Park de la Universidad Nacional de Seúl en Corea.

Hojas de partículas

El campo de la física moderna de la materia condensada se centra, en parte, en la búsqueda de interacciones en la materia a nanoescala. Tales interacciones, entre átomos, electrones y otras partículas subatómicas de un material, pueden conducir a resultados sorprendentes, como la superconductividad y otros fenómenos exóticos. Los físicos buscan estas interacciones condensando sustancias químicas en superficies para sintetizar láminas de materiales bidimensionales, que podrían ser tan delgadas como una capa atómica.

En 2018, un grupo de investigación en Corea descubrió algunas interacciones inesperadas en las hojas sintetizadas de NiPS.₃, un material bidimensional que se convierte en un antiferromagnético a temperaturas muy bajas, alrededor de 150 kelvin, o -123 grados. Centígrado. La microestructura de un antiferromagnético se asemeja a una red de átomos en forma de panal cuyos espines son opuestos a los de su vecino. Por el contrario, un material ferromagnético consta de átomos con espín alineado en la misma dirección.

En la encuesta NiPS₃, ese grupo encontró que la excitación exótica se hizo visible cuando el material se enfrió por debajo de su transición antiferromagnética, aunque la naturaleza exacta de las interacciones responsables de esto no estaba clara. Otro grupo encontró signos de una partícula híbrida, pero sus componentes exactos y su relación con esta excitación exótica tampoco estaban claros.

Gedik y sus colegas se preguntaron si podrían detectar la partícula híbrida y provocar las dos partículas que forman el todo, capturando sus movimientos característicos con un láser súper rápido.

Magnéticamente visible

Normalmente, el movimiento de los electrones y otras partículas subatómicas es demasiado rápido para capturarlo, incluso con la cámara más rápida del mundo. El desafío, dice Gedik, es similar a tomar una foto de una persona corriendo. La imagen resultante es borrosa porque el obturador de la cámara, que deja pasar la luz para capturar la imagen, no es lo suficientemente rápido y la persona aún corre hacia el marco antes de que el obturador pueda tomar una foto nítida.

Para solucionar este problema, el equipo utilizó un láser ultrarrápido que emite pulsos de luz que duran solo 25 femtosegundos (un femtosegundo es 1 millonésima de 1 billonésima de segundo). Dividieron el pulso láser en dos pulsos separados y los apuntaron a una muestra de NiPS₃. Los dos pulsos se establecieron con un ligero retraso entre sí, de modo que el primero estimuló o «pateó» la muestra, mientras que el segundo capturó la respuesta de la muestra, con una resolución temporal de 25 femtosegundos. De esta forma, pudieron crear «películas» ultrarrápidas a partir de las cuales se podían deducir las interacciones de diferentes partículas dentro del material.

Específicamente, midieron la cantidad exacta de luz reflejada por la muestra en función del tiempo entre los dos pulsos. Este reflejo debería cambiar un poco si hay partículas híbridas presentes. Esto ocurrió cuando la muestra se enfrió por debajo de 150 Kelvin, cuando el material se volvió antiferromagnético.

«Descubrimos que esta partícula híbrida solo era visible por debajo de cierta temperatura cuando se activa el magnetismo», dice Ergeçen.

Para identificar los constituyentes específicos de la partícula, el equipo varió el color o la frecuencia del primer láser y encontró que la partícula híbrida era visible cuando la frecuencia de la luz reflejada estaba alrededor de un tipo particular de transición que se sabe que ocurre cuando un electrón se mueve entre dos orbitales d. También observaron el espaciado del patrón periódico visible dentro del espectro de luz reflejada y descubrieron que correspondía a la energía de un tipo específico de fonón. Esto dejó en claro que la partícula híbrida consiste en excitaciones de electrones orbitales de este fonón específico.

Realizaron más modelos basados ​​en sus mediciones y encontraron que la fuerza que une el electrón al fonón es aproximadamente 10 veces más fuerte que la estimada para otros híbridos electrón-fonón conocidos.

«Una forma potencial de aprovechar esta partícula híbrida es que podría permitirle acoplarse a uno de los componentes y sintonizar indirectamente el otro», dice Ilyas. «De esta manera, podrías cambiar las propiedades de un material, como el estado magnético del sistema».

Referencia: «Estados enlazados de electrones y fonones oscuros iluminados magnéticamente en un antiferromagnético de Van der Waals» por Emre Ergeçen, Batyr Ilyas, Dan Mao, Hoi Chun Po, Mehmet Burak Yilmaz, Junghyun Kim, Je-Geun Park, T. Senthil y Nuh Gedik , 10 de enero de 2022, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41467-021-27741-3

Esta investigación fue financiada, en parte, por el Departamento de Energía de EE. UU. y la Fundación Gordon y Betty Moore.