يكتشف علماء الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا جسيمات هجينة غريبة مرتبطة ببعضها البعض بواسطة “غراء” ذي كثافة فريدة

يمكن أن يوفر هذا الاكتشاف طريقًا إلى أجهزة إلكترونية أصغر وأسرع.

في عالم الجسيمات ، أحيانًا يكون اثنان أفضل من واحد. خذ على سبيل المثال أزواج الإلكترون. عندما يتم ربط إلكترونين معًا ، يمكن أن ينزلقوا عبر المادة دون احتكاك ، مما يمنح المادة خصائص فائقة التوصيل. أزواج الإلكترون هذه ، 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 الذرات المهتزة للمادة). عندما قاسوا القوة بين الإلكترون والفونون ، وجدوا أن الصمغ ، أو الرابطة ، أقوى 10 مرات من أي هجين آخر من الإلكترون والفونون معروف حتى الآن.

تشير الرابطة الاستثنائية للجسيم إلى أنه يمكن ضبط الإلكترون والفونون 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 الجسيم الهجين أن تحفز الإلكترون كما تفعل عادةً ، وتؤثر أيضًا على الفونون ، مما يؤثر على الخصائص الهيكلية أو المغناطيسية للمادة. يمكن لمثل هذا التحكم المزدوج أن يسمح للعلماء بتطبيق الجهد أو الضوء على مادة لضبط ليس فقط خصائصها الكهربائية ، ولكن أيضًا مغناطيسيتها.

انطباع الفنان عن الإلكترونات الموجودة في المدارات تتفاعل بقوة مع الموجات الاهتزازية للشبكة (الفونونات). يمثل الهيكل الفصيصي السحابة الإلكترونية لأيونات النيكل في NiPS3 ، والمعروفة أيضًا باسم المدارات. تمثل الموجات المنبعثة من الهيكل المداري تذبذبات الفونونات. تشير العصابات المتوهجة إلى تكوين حالة مرتبطة بين الإلكترونات واهتزازات الشبكة. الائتمان: إمري إرجيسين

كانت النتائج ذات صلة بشكل خاص ، حيث حدد الفريق الجسيم الهجين في النيكل والفوسفور ثلاثي كبريتيد (NiPS₃) ، مادة ثنائية الأبعاد أثارت اهتمامًا حديثًا بخصائصها 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 إلكترونية أصغر حجمًا وأكثر سرعة وكفاءة في استخدام الطاقة. .

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

نشر جيديك وزملاؤه نتائجهم في 10 يناير 2022 في المجلة التواصل مع الطبيعة. ومن بين المؤلفين المشاركين إمري إرجيسين ، وباتير إلياس ، ودان ماو ، وهوي تشون بو ، ومحمد بوراك يلماز ، وسينثيل تودادري من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، بالإضافة إلى Junghyun Kim و Je-Geun Park في 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 مادة وإلكترونات وجسيمات دون ذرية أخرى إلى نتائج مفاجئة ، مثل الموصلية الفائقة والظواهر الغريبة الأخرى. يبحث الفيزيائيون في هذه التفاعلات عن طريق تكثيف المواد الكيميائية على الأسطح لتكوين صفائح من مواد ثنائية الأبعاد ، والتي يمكن أن تكون رقيقة مثل الطبقة الذرية.

في عام 2018 ، اكتشفت مجموعة بحثية في كوريا تفاعلات غير متوقعة في الصفائح المركبة من NiPS₃، مادة ثنائية الأبعاد تصبح مغناطيسية مضادة عند درجات حرارة منخفضة جدًا تصل إلى 150 كلفن ، أو -123 درجة درجة مئوية. تشبه البنية المجهرية للمغناطيسية المغناطيسية شبكة قرص العسل من الذرات التي تدور دورانها عكس تلك الموجودة في جيرانها. في المقابل ، تتكون المادة المغناطيسية من ذرات محاذاة دورانها في نفس الاتجاه.

عن طريق فحص NiPS₃، وجدت هذه المجموعة أن الإثارة الغريبة تصبح مرئية عندما يتم تبريد المادة أسفل انتقالها المغنطيسي المضاد ، على الرغم من أن الطبيعة الدقيقة للتفاعلات المسؤولة عن ذلك غير 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 وكشف الجسيمين اللذين يشكلان المجموعة ، والتقاط 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 حادة.

للتغلب على هذه المشكلة ، استخدم الفريق ليزرًا فائق السرعة يبعث نبضات من الضوء تدوم فقط 25 فمتوثانية (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 مع تأخير 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 ما في حالة وجود جزيئات هجينة. وقد وجد أن هذا هو الحال عندما يتم تبريد العينة إلى أقل من 150 كلفن ، عندما تصبح المادة مغنطيسية مضادة.

يوضح Ergeçen: “اكتشفنا أن هذا الجسيم الهجين كان مرئيًا فقط تحت درجة حرارة معينة ، عندما يتم تنشيط 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. يتحرك الإلكترون بين مدارين د. نظروا أيضًا إلى تباعد النمط الدوري المرئي في طيف الضوء المنعكس ووجدوا أنه يتوافق مع طاقة نوع معين من الفونون. أوضح هذا أن الجسيم الهجين يتكون من إثارة إلكترون مداري d وهذا الفونون المحدد.

لقد أجروا مزيدًا من النمذجة بناءً على قياساتهم ووجدوا أن القوة التي تربط الإلكترون بالفونون أقوى بنحو 10 مرات مما تم تقديره لهجائن الإلكترون والفونون الأخرى المعروفة.

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

المرجع: “حالات الإلكترون الداكن المضاء مغناطيسيًا والفونون في مانع مغناطيسي فان دير فالس” بواسطة إمري إرجيسين ، وباتير إلياس ، ودان ماو ، وهوي تشون بو ، ومحمد بوراك يلماز ، وجونغيون كيم ، وجيون بارك ، وتي سينثيل ، ونوه جيديك ، 10 يناير 2022 ، التواصل مع الطبيعة.
DOI: 10.1038 / s41467-021-27741-3

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