Коли дві електрони зв'язані разом, вони можуть ковзати по матеріалу без тертя, що надає матеріалу особливі надпровідні властивості. Такі спарені електрони, або куперівські пари, являють собою свого роду гібридну частинку - складову частину двох частинок, які ведуть себе як одна, з властивостями, що перевершують суму її частин.
Тепер фізики Массачусетського технологічного інституту виявили гібридну частинку іншого типу в незвичайному почесному магнітному матеріалі.
Вони визначили, що гібридна частинка являє собою суміш електрона і фонона (квазічастиця, яка утворюється з вібруючих атомів матеріалу). Коли вони виміряли силу між електроном і фононом, вони виявили, що клей - або зв'язок - в 10 разів міцніше, ніж будь-який інший відомий на сьогоднішній день електрон-фононний гібрид.
Винятковий зв'язок частинки передбачає, що її електрон і фонон можуть бути налаштовані в тандемі; наприклад, будь-яка зміна електрона має вплинути на фонон, і навпаки.
У принципі, електронне збудження, таке як напруга або світло, додане до гібридної частинки, може стимулювати електрон, як зазвичай, а також впливати на фонон, який впливає на структурні або магнітні властивості матеріалу.
Таке подвійне управління могло б дозволити вченим застосовувати напругу або світло до матеріалу для налаштування не тільки його електричних властивостей, але і його магнетизму.
Результати особливо актуальні, оскільки команда вчених ідентифікувала гібридну частинку в трисульфіді нікелю і фосфору (NiPS3), почесному матеріалі, який останнім часом привернув увагу своїми магнітними властивостями.
Вчені вважають, що якби цими властивостями можна було керувати, наприклад, за допомогою нещодавно виявлених гібридних частинок, цей матеріал можна було б використовувати як новий тип магнітного напівпровідника, який можна було б перетворити на меншу, більш швидку і більш енергоефективну електроніку.
«Уявіть, якби ми могли стимулювати електрон і змусити реагувати магнетизм», - говорить Нух Гедік, професор фізики Массачусетського технологічного інституту. «Тоді ми могли б створювати пристрої, що сильно відрізняються від тих, які працюють сьогодні».
Зазвичай рух електронів та інших субатомних частинок занадто швидкий, щоб його можна було зафіксувати навіть за допомогою найшвидшої камери у світі. Завдання, за словами Гедика, схоже на фотографування тікаючої людини. Отримане зображення розмите, тому що затвор камери, який пропускає світло для захоплення зображення, працює недостатньо швидко, і людина все ще біжить в кадрі, перш ніж затвор встигає зробити чіткий знімок.
Щоб обійти цю проблему, команда фізиків використовувала надшвидкий лазер, що випромінює світлові імпульси тривалістю всього 25 фемтосекунд (одна фемтосекунда становить 1 мільйонну від 1 мільярдної секунди).
Вони розділили лазерний імпульс на два окремих імпульси і направили їх на зразок NiPS3. Два імпульси були встановлені з невеликою затримкою один щодо одного, так що перший стимулював або «штовхав» зразок, а другий реєстрував реакцію зразка з тимчасовою роздільною здатністю 25 фемтосекунд. Таким чином, вони змогли створити надшвидкі «фільми», з яких можна було вивести взаємодію різних частинок всередині матеріалу.
Зокрема, вони виміряли точну кількість світла, відображеного від зразка, залежно від часу між двома імпульсами. Це відображення має певним чином змінюватися, якщо присутні гібридні частинки. Так виявилося при охолодженні зразка нижче 150 кельвінів, коли матеріал став антиферромагнітним.
«Ми виявили, що ця гібридна частинка видна тільки при певній температурі, коли ввімкнений магнетизм», - кажуть дослідники.
Щоб визначити конкретні складові частинки, команда змінила колір або частоту першого лазера і виявила, що гібридна частинка була видна, коли частота відбитого світла була біля певного типу переходу, який, як відомо, відбувається, коли електрон переміщується між двома d-орбіталями.
Вони також вивчили інтервал періодичного патерну, видимого в спектрі відображеного світла, і виявили, що він відповідає енергії певного виду фонона. Це прояснило, що гібридна частинка складається з збуджень d-орбітальних електронів і цього специфічного фонона.
Вчені провели подальше моделювання, засноване на своїх вимірах, і виявили, що сила, що зв'язує електрон з фононом, приблизно в 10 разів сильніше, ніж те, що було оцінено для інших відомих електрон-фононних гібридів.
«Один з потенційних способів використання цієї гібридної частинки полягає в тому, що вона може дозволити вам з'єднатися з одним з компонентів і побічно налаштувати інший», - кажуть дослідники. «Таким чином, ви можете змінити властивості матеріалу, наприклад, магнітний стан системи».
Стаття про відкриття була опублікована в Nature Communications.