I fisici del MIT hanno rilevato un tipo di particella ibrida in un insolito materiale magnetico bidimensionale. Hanno determinato che la particella ibrida è un mashup di un elettrone e un fonone (una quasiparticella prodotta dagli atomi vibranti di un materiale).
Quando hanno misurato la forza tra l’elettrone e il fonone, hanno scoperto che la colla, o legame, era 10 volte più forte di qualsiasi altro ibrido elettrone-fonone conosciuto fino ad oggi.
La scoperta potrebbe offrire un percorso verso dispositivi elettronici più piccoli e veloci
L’eccezionale legame della particella suggerisce che il suo elettrone e fonone potrebbero essere sintonizzati in tandem; per esempio, qualsiasi modifica all’elettrone dovrebbe influenzare il fonone e viceversa. In linea di principio, un’eccitazione elettronica, come la tensione o la luce, applicata alla particella ibrida potrebbe stimolare l’elettrone come farebbe normalmente e influenzare anche il fonone, che influenza le proprietà strutturali o magnetiche di un materiale. Tale doppio controllo potrebbe consentire agli scienziati di applicare tensione o luce a un materiale per ottimizzare non solo le sue proprietà elettriche ma anche il suo magnetismo.
I risultati sono particolarmente rilevanti, poiché il team ha identificato la particella ibrida nel trisolfuro di nichel fosforo (NiPS 3), un materiale bidimensionale che ha recentemente attirato l’interesse per le sue proprietà magnetiche. Se queste proprietà potessero essere manipolate, ad esempio attraverso le particelle ibride appena rilevate, gli scienziati ritengono che un giorno il materiale potrebbe essere utile come un nuovo tipo di semiconduttore magnetico, che potrebbe essere trasformato in un’elettronica più piccola, più veloce e più efficiente dal punto di vista energetico.
“Immagina di poter stimolare un elettrone e fare in modo che il magnetismo risponda”, ha affermato Nuh Gedik, professore di fisica al MIT. “Quindi potresti creare dispositivi molto più avanzati rispetto ad oggi”.
Gedik e i suoi colleghi hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Nature Communications.
Fogli di particelle
Il campo della moderna fisica della materia condensata è focalizzato, in parte, sulla ricerca di interazioni nella materia su scala nanometrica. Tali interazioni, tra atomi, elettroni e altre particelle subatomiche di un materiale, possono portare a risultati sorprendenti, come la superconduttività e altri fenomeni esotici. I fisici cercano queste interazioni condensando sostanze chimiche sulle superfici per sintetizzare fogli di materiali bidimensionali, che potrebbero essere sottili come uno strato atomico.
Nel 2018, un gruppo di ricerca in Corea ha scoperto alcune interazioni inaspettate nei fogli sintetizzati di NiPS 3, un materiale bidimensionale che diventa un antiferromagnete a temperature molto basse di circa 150 kelvin, o -123 gradi Celsius. La microstruttura di un antiferromagnete ricorda un reticolo a nido d’ape di atomi i cui spin sono opposti a quello del loro vicino. Al contrario, un materiale ferromagnetico è costituito da atomi con spin allineati nella stessa direzione.
Sondando NiPS 3, quel gruppo ha scoperto che un’eccitazione esotica è diventata visibile quando il materiale è stato raffreddato al di sotto della sua transizione antiferromagnetica, sebbene l’esatta natura delle interazioni responsabili di ciò non fosse chiara. Un altro gruppo ha trovato segni di una particella ibrida, ma anche i suoi costituenti esatti e la sua relazione con questa eccitazione esotica non erano chiari.
Gedik e i suoi colleghi si sono chiesti se avrebbero potuto rilevare la particella ibrida e stuzzicare le due particelle che compongono il tutto, catturando i loro movimenti caratteristici con un laser super veloce.
Magneticamente visibile
Normalmente, il movimento degli elettroni e di altre particelle subatomiche è troppo veloce per essere ripreso, anche con la fotocamera più veloce del mondo. La sfida, sostiene Gedik, è simile a quella di scattare una foto di una persona che corre. L’immagine risultante è sfocata perché l’otturatore della fotocamera, che lascia entrare la luce per catturare l’immagine, non è abbastanza veloce e la persona sta ancora correndo nell’inquadratura prima che l’otturatore possa scattare una foto nitida.
Per aggirare questo problema, il team ha utilizzato un laser ultraveloce che emette impulsi luminosi della durata di soli 25 femtosecondi (un femtosecondo è 1 milionesimo di 1 miliardesimo di secondo). Hanno diviso l’impulso laser in due impulsi separati e li hanno puntati su un campione di NiPS 3. I due impulsi sono stati impostati con un leggero ritardo l’uno dall’altro in modo che il primo stimolasse, o “scalciasse”, il campione, mentre il secondo catturava la risposta del campione, con una risoluzione temporale di 25 femtosecondi. In questo modo, sono stati in grado di creare “filmati” ultraveloci da cui si potevano dedurre le interazioni di diverse particelle all’interno del materiale.
In particolare, hanno misurato l’esatta quantità di luce riflessa dal campione in funzione del tempo tra i due impulsi. Questa riflessione dovrebbe cambiare in un certo modo se sono presenti particelle ibride. Questo si è verificato quando il campione è stato raffreddato al di sotto di 150 kelvin, quando il materiale diventa antiferromagnetico.
“Abbiamo scoperto che questa particella ibrida era visibile solo al di sotto di una certa temperatura, quando il magnetismo è attivo”, ha affermato Ergeçen.
Per identificare i costituenti specifici della particella, il team ha variato il colore, o frequenza, del primo laser e ha scoperto che la particella ibrida era visibile quando la frequenza della luce riflessa era attorno a un particolare tipo di transizione nota per verificarsi quando un elettrone si muove tra due orbitali d.
Hanno anche esaminato la spaziatura del pattern periodico visibile all’interno dello spettro della luce riflessa e hanno scoperto che corrispondeva all’energia di un tipo specifico di fonone. Ciò ha chiarito che la particella ibrida è costituita da eccitazioni di elettroni orbitali d e questo fonone specifico.
Hanno eseguito ulteriori modelli in base alle loro misurazioni e hanno scoperto che la forza che lega l’elettrone al fonone è circa 10 volte più forte di quella stimata in altri noti ibridi elettrone-fonone.
“Un potenziale modo per sfruttare questa particella ibrida è che potrebbe consentire di accoppiarsi a uno dei componenti e sintonizzare indirettamente l’altro”, ha affermato Ilyas.
“In questo modo, potresti modificare le proprietà di un materiale, come lo stato magnetico del sistema”.
