علماء فيزيائيون بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يكتشفون جسيمات هجينة غريبة محتجزة معًا بواسطة “غراء” شديد الكثافة

اكتشف علماء الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا جسيمًا هجينًا في مادة مغناطيسية ثنائية الأبعاد غير عادية. الجسيم الهجين عبارة عن مزيج من الإلكترون والفونون. الائتمان: كريستين دانيلوف ، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

يمكن أن يوفر الاكتشاف طريقًا إلى أجهزة إلكترونية أصغر وأسرع.

في عالم الجسيمات ، أحيانًا يكون اثنان أفضل من واحد. خذ ، على سبيل المثال ، أزواج الإلكترون. عندما يرتبط إلكترونان معًا ، يمكنهما الانزلاق عبر مادة دون احتكاك ، مما يمنح المادة خصائص فائقة التوصيل. هذه الإلكترونات المزدوجة ، أو أزواج كوبر ، هي نوع من الجسيمات الهجينة – مركب من جسيمين يتصرفان كجسيم واحد ، بخصائص أكبر من مجموع أجزائه.

الآن مع اكتشف الفيزيائيون نوعًا آخر من الجسيمات الهجينة في مادة مغناطيسية ثنائية الأبعاد غير عادية. لقد قرروا أن الجسيم الهجين عبارة عن مزيج من الإلكترون والفونون (شبه جسيم ينتج من ذرات مادة مهتزة). عندما قاسوا القوة بين الإلكترون والفونون ، وجدوا أن الصمغ ، أو الرابطة ، أقوى بعشر مرات من أي هجين آخر من الإلكترون والفونون معروف حتى الآن.

تشير الرابطة الاستثنائية للجسيم إلى أنه يمكن ضبط إلكترون وفونون الجسيم جنبًا إلى جنب ؛ على سبيل المثال ، أي تغيير في الإلكترون يجب أن يؤثر على الفونون ، والعكس صحيح. من حيث المبدأ ، يمكن للإثارة الإلكترونية ، مثل الجهد أو الضوء ، المطبقة على الجسيمات الهجينة أن تحفز الإلكترون كما تفعل عادةً ، وتؤثر أيضًا على الفونون ، مما يؤثر على الخصائص الهيكلية أو المغناطيسية للمادة. يمكن لمثل هذا التحكم المزدوج أن يمكّن العلماء من تطبيق الجهد أو الضوء على مادة لضبط ليس فقط خصائصها الكهربائية ولكن أيضًا مغناطيسيتها.

انطباع فنان عن الإلكترونات المترجمة في مدارات d تتفاعل بقوة مع موجات الاهتزاز الشبكية (الفونونات). يصور الهيكل المفصص السحابة الإلكترونية لأيونات النيكل في NiPS3 ، والمعروفة أيضًا باسم المدارات. تمثل الموجات المنبعثة من الهيكل المداري اهتزازات الفونون. تشير الخطوط الحمراء المتوهجة إلى تكوين حالة مرتبطة بين الإلكترونات والاهتزازات الشبكية. الائتمان: إمري إرجيسين

كانت النتائج ذات صلة بشكل خاص ، حيث حدد الفريق الجسيم الهجين في النيكل والفوسفور ثلاثي كبريتيد (NiPS₃) ، وهي مادة ثنائية الأبعاد جذبت الاهتمام مؤخرًا لخصائصها المغناطيسية. إذا كان من الممكن التلاعب بهذه الخصائص ، على سبيل المثال من خلال الجسيمات الهجينة المكتشفة حديثًا ، يعتقد العلماء أن المادة يمكن أن تكون ذات يوم مفيدة كنوع جديد من أشباه الموصلات المغناطيسية ، والتي يمكن تحويلها إلى إلكترونيات أصغر وأسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة.

يقول نوه جيديك ، أستاذ الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “تخيل لو تمكنا من تحفيز إلكترون ، واستجابة المغناطيسية”. “بعد ذلك يمكنك جعل الأجهزة مختلفة تمامًا عن طريقة عملها اليوم.”

نشر جيديك وزملاؤه نتائجهم في 10 يناير 2022 في المجلة اتصالات الطبيعة. ومن بين المؤلفين المشاركين إمري إرجيسين ، وباتير إلياس ، ودان ماو ، وهوي تشون بو ، ومحمد بوراك يلماز ، وسينثيل تودادري من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، جنبًا إلى جنب مع Junghyun Kim و Je-Geun Park من جامعة سيول الوطنية في كوريا.

صحائف الجسيمات

يركز مجال فيزياء المادة المكثفة الحديثة ، جزئيًا ، على البحث عن التفاعلات في المادة على المستوى النانوي. يمكن أن تؤدي مثل هذه التفاعلات بين ذرات المادة والإلكترونات والجسيمات دون الذرية الأخرى إلى نتائج مفاجئة ، مثل الموصلية الفائقة والظواهر الغريبة الأخرى. يبحث الفيزيائيون عن هذه التفاعلات عن طريق تكثيف المواد الكيميائية على الأسطح لتكوين صفائح من مواد ثنائية الأبعاد ، والتي يمكن أن تكون رقيقة مثل طبقة ذرية واحدة.

في عام 2018 ، اكتشفت مجموعة بحثية في كوريا بعض التفاعلات غير المتوقعة في الألواح المركبة من NiPS₃، مادة ثنائية الأبعاد تصبح مغناطيسًا مغناطيسيًا مضادًا عند درجات حرارة منخفضة جدًا تبلغ حوالي 150 كلفن ، أو -123 درجة درجة مئوية. تشبه البنية المجهرية للمغناطيس المضاد شبكة قرص العسل من الذرات التي تدور تدور معاكسة لجرارها. في المقابل ، تتكون المادة المغناطيسية من ذرات تدور محاذاة في نفس الاتجاه.

في فحص NiPS₃، اكتشفت تلك المجموعة أن الإثارة الغريبة أصبحت مرئية عندما يتم تبريد المادة أسفل انتقالها المغنطيسي المضاد ، على الرغم من أن الطبيعة الدقيقة للتفاعلات المسؤولة عن ذلك لم تكن واضحة. وجدت مجموعة أخرى علامات على وجود جسيم هجين ، لكن مكوناته الدقيقة وعلاقته بهذه الإثارة الغريبة لم تكن واضحة أيضًا.

تساءل جيديك وزملاؤه عما إذا كان بإمكانهم اكتشاف الجسيم الهجين ، واستنباط الجسيمين اللذين يشكلان الكل ، عن طريق التقاط حركات توقيعهم باستخدام ليزر فائق السرعة.

مرئية مغناطيسيا

عادةً ما تكون حركة الإلكترونات والجسيمات دون الذرية الأخرى سريعة جدًا في التصوير ، حتى مع أسرع كاميرا في العالم. يقول جيديك إن التحدي يشبه التقاط صورة لشخص يركض. الصورة الناتجة ضبابية لأن مصراع الكاميرا ، الذي يسمح للضوء بالتقاط الصورة ، ليس بالسرعة الكافية ، ولا يزال الشخص يعمل في الإطار قبل أن يتمكن المصراع من التقاط صورة واضحة.

للتغلب على هذه المشكلة ، استخدم الفريق ليزرًا فائق السرعة يُصدر نبضات ضوئية تدوم 25 فمتوثانية فقط (واحد فيمتوثانية هو جزء من المليون من المليار من الثانية). قاموا بتقسيم نبضة الليزر إلى نبضتين منفصلتين وتوجيههم إلى عينة من NiPS₃. تم ضبط النبضتين بتأخير طفيف عن بعضهما البعض بحيث تحفز الأولى ، أو “ركل” العينة ، بينما تلتقط الثانية استجابة العينة ، بدقة زمنية قدرها 25 فيمتوثانية. وبهذه الطريقة ، تمكنوا من إنشاء “أفلام” فائقة السرعة يمكن من خلالها استنتاج تفاعلات الجسيمات المختلفة داخل المادة.

على وجه الخصوص ، قاموا بقياس الكمية الدقيقة للضوء المنعكس من العينة كدالة للوقت بين النبضتين. يجب أن يتغير هذا الانعكاس بطريقة معينة في حالة وجود جزيئات هجينة. اتضح أن هذا هو الحال عندما تم تبريد العينة إلى أقل من 150 درجة كلفن ، عندما تصبح المادة مغنطيسية مضادة.

يقول Ergeçen: “وجدنا أن هذا الجسيم الهجين كان مرئيًا فقط تحت درجة حرارة معينة ، عند تشغيل المغناطيسية”.

لتحديد المكونات المحددة للجسيم ، قام الفريق بتغيير لون أو تردد أول ليزر ووجد أن الجسيم الهجين كان مرئيًا عندما كان تردد الضوء المنعكس حول نوع معين من الانتقال المعروف بحدوث إلكترون يتحرك بين اثنين من المدارات د. نظروا أيضًا إلى تباعد النمط الدوري المرئي داخل طيف الضوء المنعكس ووجدوا أنه يطابق طاقة نوع معين من الفونون. يوضح هذا أن الجسيم الهجين يتكون من إثارة إلكترونات مدارية d وهذا الفونون المحدد.

لقد قاموا ببعض النمذجة الإضافية بناءً على قياساتهم ووجدوا أن القوة التي تربط الإلكترون بالفونون أقوى بنحو 10 مرات مما تم تقديره لهجائن الإلكترون-فونون الهجينة الأخرى.

يقول إلياس: “إحدى الطرق المحتملة لتسخير هذا الجسيم الهجين هي أنه يمكن أن يسمح لك بالاقتران بأحد المكونات وضبط الآخر بشكل غير مباشر”. “بهذه الطريقة ، يمكنك تغيير خصائص مادة ، مثل الحالة المغناطيسية للنظام.”

المرجع: “حالات ربط الإلكترون-فونون الداكنة المضاءة مغناطيسيًا في مانع مغناطيسي فان دير فالس” بقلم إمري إرجيسين ، وباتير إلياس ، ودان ماو ، وهوي تشون بو ، ومحمد بوراك يلماز ، وجونغيون كيم ، وجيون بارك ، وتي سينثيل ، ونوه جيديك ، 10 كانون الثاني (يناير) 2022 ، اتصالات الطبيعة.
DOI: 10.1038 / s41467-021-27741-3

تم دعم هذا البحث جزئيًا من قبل وزارة الطاقة الأمريكية ومؤسسة جوردون وبيتي مور.