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

En el mundo de las partículas, a veces dos son mejores que uno. Tomemos, por ejemplo, los pares de electrones. Cuando dos electrones se unen, pueden deslizarse a través del material sin fricción, dándole al material propiedades superconductoras especiales. Estos pares de electrones, 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 que se produce a partir de 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 cambio en el electrón debería afectar al fonón y viceversa. En principio, una excitación electrónica, como voltaje o luz, aplicada a la partícula híbrida podría estimular al electrón como lo haría normalmente, y también afectar al fonón, lo que influye en las propiedades estructurales o magnéticas de un material. Tal control dual podría permitir a los científicos aplicar voltaje o luz a un material para ajustar no solo sus propiedades eléctricas, sino también su magnetismo.

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

Los resultados son particularmente relevantes, ya que el equipo identificó la partícula híbrida en el trisulfuro de fósforo y níquel (NiPS₃), un material bidimensional que ha suscitado recientemente interés por sus propiedades magnéticas. Si estas propiedades pudieran manipularse, por ejemplo a través de las partículas híbridas recién detectadas, los científicos creen que el material algún día podría ser útil como un nuevo tipo de semiconductor magnético, que podría convertirse en una electrónica más pequeña, más rápida y más eficiente energéticamente. .

“Imagínese si pudiéramos estimular un electrón y hacer reaccionar el magnetismo”, dice Nuh Gedik, profesor de física en el MIT. “Entonces podrías crear dispositivos que sean muy diferentes de cómo funcionan hoy. «

Gedik y sus colegas publicaron sus resultados el 10 de enero de 2022 en la revista Naturaleza Comunicación. Sus coautores incluyen a Emre Ergeçen, Batyr Ilyas, Dan Mao, Hoi Chun Po, Mehmet Burak Yilmaz y Senthil Todadri en el MIT, así como a Junghyun Kim y Je-Geun Park en 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 de un material, electrones y otras partículas subatómicas, pueden conducir a resultados sorprendentes, como la superconductividad y otros fenómenos exóticos. Los físicos investigan 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 interacciones inesperadas en hojas sintetizadas de NiPS₃un material bidimensional que se convierte en antiferromagnético a temperaturas muy bajas del orden de 150 Kelvin, o -123 grados Celsius. La microestructura de un antiferromagnético se asemeja a una red de panal de átomos cuyos espines son opuestos a los de su vecino. Por el contrario, un material ferromagnético está formado por átomos cuyos espines están alineados en la misma dirección.

Al sondear NiPS₃este grupo descubrió que la excitación exótica se vuelve visible cuando el material se enfría por debajo de su transición antiferromagnética, aunque la naturaleza exacta de las interacciones responsables de esto no está 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 desentrañar las dos partículas que componen el conjunto, capturando sus movimientos característicos con un láser ultrarrápido.

Magnéticamente visible

Normalmente, el movimiento de los electrones y otras partículas subatómicas es demasiado rápido para obtener una imagen, 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 sigue corriendo en el cuadro 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 del láser en dos pulsos separados y los dirigieron a una muestra de NiPS.₃. 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 recogió 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 las diferentes partículas dentro del material.

En particular, midieron la cantidad precisa de luz reflejada por la muestra en función del tiempo entre los dos pulsos. Este reflejo debería cambiar de alguna manera si hay partículas híbridas presentes. Se ha encontrado que este es el caso cuando la muestra se ha enfriado por debajo de 150 Kelvin, cuando el material se vuelve antiferromagnético.

“Descubrimos que esta partícula híbrida solo era visible por debajo de cierta temperatura, cuando se activa el magnetismo”, explica 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 el electrón se mueve entre dos orbitales d. También observaron el espaciado del patrón periódico visible en el espectro de la luz reflejada y descubrieron que correspondía a la energía de un tipo específico de fonón. Esto aclaró que la partícula híbrida está formada por excitaciones de electrones del orbital d y este fonón específico.

Realizaron un modelado adicional basado en sus mediciones y descubrieron que la fuerza que une el electrón al fonón es aproximadamente 10 veces más fuerte que lo que se ha estimado para otros híbridos electrón-fonón conocidos.

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

Referencia: «Estados unidos de fonones y electrones 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, Naturaleza Comunicación.
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.