Partícula híbrida elétron-fônon

Físicos do MIT descobriram uma partícula híbrida em um material magnético bidimensional incomum. A partícula híbrida é um mashup de um elétron e um fônon. Crédito da foto: Christine Daniloff, MIT

A descoberta pode fornecer uma rota para dispositivos eletrônicos menores e mais rápidos.

No mundo das partículas, às vezes dois são melhores que um. Por exemplo, pares de elétrons. Quando dois elétrons estão conectados um ao outro, eles podem deslizar através de um material sem atrito, o que confere ao material propriedades supercondutoras especiais. Esses elétrons emparelhados ou pares de Cooper são uma espécie de partícula híbrida – um composto de duas partículas que se comportam como uma só, com propriedades maiores que a soma de suas partes.

agora COM Os físicos descobriram um tipo diferente de partícula híbrida em um material magnético bidimensional incomum. Eles descobriram que a partícula híbrida é uma mistura de elétron e fônon (uma quase partícula que é criada a partir dos átomos vibrantes de um material). Quando mediram a força entre o elétron e o fônon, descobriram que a cola ou ligação era dez vezes mais forte do que qualquer outro híbrido de elétron-fônon conhecido anteriormente.

A extraordinária ligação da partícula sugere que seu elétron e fônon podem ser coordenados juntos; por exemplo, qualquer mudança no elétron deve afetar o fônon e vice-versa. Em princípio, uma excitação eletrônica como voltagem ou luz aplicada à partícula híbrida poderia estimular o elétron como de costume e também influenciar o fônon, o que afeta as propriedades estruturais ou magnéticas de um material. Essa dupla verificação pode permitir que os cientistas apliquem tensão ou luz a um material para ajustar não apenas suas propriedades elétricas, mas também seu magnetismo.

Elétrons que interagem fortemente com as ondas de vibração da rede

Impressão artística de elétrons localizados em orbitais d e que interagem fortemente com ondas de vibração de rede (fônons). A estrutura lobular mostra a nuvem eletrônica de íons de níquel em NiPS3, também chamados de orbitais. As ondas que emanam da estrutura orbital representam vibrações de fônons. As listras vermelhas brilhantes indicam a formação de um estado ligado entre os elétrons e as vibrações da rede. Crédito da foto: Emre Ergecen

Os resultados são particularmente relevantes, pois a equipe usou a partícula híbrida em trissulfeto de níquel-fósforo (NiPS3), um material bidimensional que recentemente atraiu interesse devido às suas propriedades magnéticas. Por exemplo, se essas propriedades pudessem ser manipuladas pelas partículas híbridas recém-descobertas, o material poderia um dia ser útil como um novo semicondutor magnético que poderia ser transformado em eletrônicos menores, mais rápidos e com maior eficiência energética.

“Imagine se pudéssemos estimular um elétron e o magnetismo reagiria”, diz Nuh Gedik, professor de física do MIT. “Então você poderia fabricar dispositivos de uma maneira completamente diferente de como eles funcionam hoje.”

Gedik e seus colegas publicaram seus resultados na revista em 10 de janeiro de 2022 Comunicação da natureza. Seus coautores incluem Emre Ergeçen, Batyr Ilyas, Dan Mao, Hoi Chun Po, Mehmet Burak Yilmaz e Senthil Todadri do MIT, e Junghyun Kim e Je-Geun Park da Universidade Nacional de Seul na Coréia.

Folhas de partículas

O campo da física da matéria condensada moderna concentra-se em parte na busca de interações na matéria em nanoescala. Tais interações entre os átomos, elétrons e outras partículas subatômicas de um material podem levar a resultados surpreendentes, como supercondutividade e outros fenômenos exóticos. Os físicos procuram essas interações condensando produtos químicos em superfícies para sintetizar camadas de materiais bidimensionais que podem ser tão finas quanto uma camada de átomos.

Em 2018, um grupo de pesquisa na Coréia descobriu algumas interações inesperadas em camadas sintetizadas de NiPS3, um material bidimensional que se torna um antiferromagneto a temperaturas muito baixas de cerca de 150 Kelvin ou -123 graus Celsius. A microestrutura de um antiferromagneto se assemelha a uma rede de átomos em favo de mel cujos spins são opostos aos de seus vizinhos. Em contraste, um material ferromagnético consiste em átomos com spins unidirecionais.

Ao sondar NiPS3, esse grupo descobriu que um estímulo exótico se torna visível quando o material é resfriado abaixo de sua transição antiferromagnética, embora a natureza exata das interações responsáveis ​​por isso não seja clara. Outro grupo encontrou evidências de uma partícula híbrida, mas também seus constituintes exatos e sua conexão com esse estímulo exótico não ficaram claros.

Gedik e seus colegas se perguntaram se poderiam reconhecer a partícula híbrida e desvendar as duas partículas que compõem a coisa toda, capturando seus movimentos característicos com um laser super-rápido.

Magneticamente visível

Normalmente, os movimentos de elétrons e outras partículas subatômicas são rápidos demais para serem visualizados, mesmo com a câmera mais rápida do mundo. O desafio, diz Gedik, é comparável a tirar fotos de uma pessoa correndo. A imagem resultante fica embaçada porque o obturador da câmera, que deixa a luz passar para capturar a imagem, não é rápido o suficiente e a pessoa ainda está andando na imagem antes que o obturador possa capturar uma imagem nítida.

Para contornar esse problema, a equipe usou um laser ultrarrápido que emite pulsos de luz com apenas 25 femtossegundos de duração (um femtossegundo equivale a 1 milionésimo de bilionésimo de segundo). Eles dividiram o pulso de laser em dois pulsos separados e os direcionaram para uma amostra de NiPS3. Os dois pulsos foram ajustados com um pequeno atraso um do outro, de modo que o primeiro estimulava ou “pisava” a amostra, enquanto o segundo registrava a resposta da amostra com resolução temporal de 25 femtossegundos. Desta forma, eles foram capazes de criar “filmes” ultra-rápidos a partir dos quais as interações de diferentes partículas dentro do material poderiam ser deduzidas.

Em particular, eles mediram a quantidade exata de luz refletida da amostra em função do tempo entre os dois pulsos. Esta reflexão deve mudar de alguma forma quando partículas híbridas estão presentes. Este foi o caso quando a amostra foi resfriada abaixo de 150 Kelvin quando o material se tornou antiferromagnético.

“Descobrimos que essa partícula híbrida só era visível abaixo de uma certa temperatura quando o magnetismo é ligado”, diz Ergeçen.

Para identificar os componentes específicos da partícula, a equipe variou a cor ou se moveu entre dois orbitais d. Eles também examinaram o espaçamento do padrão periódico visível dentro do espectro de luz refletido e descobriram que correspondia à energia de um tipo particular de fônon. Isso deixou claro que a partícula híbrida consiste em excitações dos elétrons do orbital d e desse fônon específico.

Eles realizaram uma modelagem adicional com base em suas medições e descobriram que a força que liga o elétron ao fônon é cerca de dez vezes mais forte do que a estimativa para outros híbridos de elétron-fônon conhecidos.

“Uma maneira possível de usar essa partícula híbrida é que você pode acoplar um dos componentes e ajustar o outro indiretamente”, diz Ilyas. “Desta forma, você pode alterar as propriedades de um material, como o estado magnético do sistema.”

Referência: “Magneticamente Brightened Dark Electron-Phononbound States in a van der Waals antiferromagtic” por Emre Ergeçen, Batyr Ilyas, Dan Mao, Hoi Chun Po, Mehmet Burak Yilmaz, Junghyun Kim, Je-Geun Park, T. Senthil e Nuh Gedik, 10 de janeiro de 2022, Comunicação da natureza.
DOI: 10.1038/s41467-021-27741-3

Esta pesquisa foi apoiada em parte pelo Departamento de Energia dos EUA e pela Fundação Gordon e Betty Moore.

By Gabriel Ana

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