اكتشف علماء الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا جسيمات هجينة مميزة باستخدام “صمغ” واحد مكثف

يمكن أن يمهد هذا الاختراع الطريق لأجهزة إلكترونية أصغر وأسرع.

في عالم الجسيمات ، أحيانًا يكون اثنان أفضل من واحد. خذ أزواج الإلكترون ، على سبيل المثال. عندما يتم ربط إلكترونين معًا ، يمكن أن ينزلقوا عبر جسم ما دون احتكاك ، مما يمنح الجسم خصائص فائقة التوصيل. مثل هذا الزوج من الإلكترونات ، أو أزواج كوبر ، هو نوع من الجسيمات الهجينة – مزيج من جسيمين يعملان معًا بخصائص أكثر من مجموع أجزائه.

الآن مع اكتشف الفيزيائيون نوعًا آخر من الجسيمات الهجينة في جسم مغناطيسي غير عادي ثنائي الأبعاد. لقد قرروا أن الجسيم الهجين كان إلكترونًا وفونون (شبه جسيم ينتج من الذرات المهتزة لجسم ما). عندما قاسوا القوة بين الإلكترون والفونون ، وجدوا أن الصمغ ، أو الرابطة ، أقوى 10 مرات من أي هجين آخر من الإلكترون والفونون معروف حتى الآن.

يشير الترابط الاستثنائي للجسيمات إلى أنه يمكن ضبط الإلكترون والفونون معًا ؛ على سبيل المثال ، أي تغيير في الإلكترون يجب أن يؤثر على الهاتف والعكس صحيح. من حيث المبدأ ، تثير المنبهات الإلكترونية مثل الجهد أو الضوء المطبق على الجسيمات الهجينة الإلكترون ويمكن أن تؤثر أيضًا على الفونون ، مما يؤثر على الخصائص الهيكلية أو المغناطيسية للجسم. يسمح هذا التحكم المزدوج للعلماء بتعديل ليس فقط خصائصه الكهربائية ولكن أيضًا مغناطيسيته من خلال تطبيق الجهد أو الضوء.

نظرة فنان إلى الإلكترونات المدمجة في مدارات D التي تتفاعل بقوة مع موجات خطوط العرض (الفونونات). يمثل الهيكل الفصيصي السحابة الإلكترونية لأيونات النيكل في NiPS3 ، والمعروفة أيضًا باسم المدارات. الموجات المنبعثة من النظام المداري تمثل اهتزازات الفونون. تشير الخطوط الحمراء المتوهجة إلى تكوين حالة الترابط بين الإلكترونات واهتزازات لاتيه. الائتمان: إمري إركيسين

النتائج مهمة للغاية لأن الفريق وجد وجود جسيم هجين في النيكل والفوسفور ثلاثي كبريتيد (NiPS).₃) ، لقد جذب الكائن ثنائي الأبعاد الاهتمام مؤخرًا لخصائصه المغناطيسية. إذا كان من الممكن التلاعب بهذه الخصائص ، على سبيل المثال مع الجسيمات الهجينة المكتشفة حديثًا ، يأمل العلماء أن يخترعوا يومًا ما نوعًا جديدًا من أشباه الموصلات المغناطيسية التي يمكن تطويرها إلى أجهزة إلكترونية أصغر حجمًا وأسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة.

قال نو كيديك ، أستاذ الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، “تخيل لو تمكنا من تشغيل إلكترون وتحفيز مجال مغناطيسي. ثم يمكنك جعل الأجهزة مختلفة تمامًا عن طريقة عملها اليوم.”

نشر جيديك وزملاؤه نتائجهم في عدد 10 يناير 2022 من المجلة الاتصال الطبيعي. المؤلفون المشاركون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا هم إمري إركيسين ، وباتير إلياس ، ودان ماو ، وهوي تشون بو ، ومحمد بروك يلماس ، وسينثيل دوداتري ، إلى جانب جونغيون كيم وجي جيون بارك من جامعة سيول الوطنية في كوريا.

صحائف الجسيمات

يركز مجال فيزياء المواد المضغوطة الحديثة جزئيًا على البحث عن تفاعلات الأجسام النانوية. يمكن أن تؤدي مثل هذه التفاعلات بين الذرات والإلكترونات والجسيمات دون الذرية الأخرى لجسم ما إلى تأثيرات مفاجئة مثل الموصلية الفائقة والظواهر الجذابة الأخرى. يبحث الفيزيائيون عن هذه التفاعلات عن طريق ضغط المواد الكيميائية على السطح لتجميع صفائح من مادة ثنائية الأبعاد يمكن تشكيلها برقعة طبقة ذرية.

في عام 2018 ، اكتشف فريق بحثي في ​​كوريا بعض التفاعلات غير المتوقعة في الألواح المدمجة من NiPS.₃، جسم ثنائي الأبعاد يصبح مغناطيسًا مضادًا عند درجة حرارة منخفضة جدًا تبلغ حوالي 150 كلفن أو -123 درجة درجة مئوية. تشبه البنية المجهرية للمغناطيس المضاد قرص العسل من الذرات التي تكون حلقاتها معاكسة لجيرانها. في المقابل ، تتكون المادة المغناطيسية من ذرات ذات حلقات مصطفة في نفس الاتجاه.

في فحص NiPS₃، وجد الفريق أن الإثارة الجذابة كانت مرئية عندما تم تبريد المادة تحت تغيرها المغناطيسي المضاد ، على الرغم من أن الطبيعة الدقيقة للتفاعلات السببية لم تكن واضحة. وجدت مجموعة أخرى علامات على وجود جسيم هجين ، لكن مكوناته الدقيقة وعلاقته بهذه الإثارة الغريبة لم تكن واضحة.

تمكن Gedik وزملاؤه من اكتشاف الجسيمات الهجينة والتقاط حركاتها المميزة باستخدام ليزر عالي السرعة ، متسائلين عما إذا كان بإمكانهم إثارة الجسيمين بالكامل.

مرئية مغناطيسيا

بشكل عام ، تكون حركة الإلكترونات والجسيمات دون الذرية الأخرى سريعة جدًا ، حتى مع أسرع كاميرا في العالم. يقول كديك إن التحدي يشبه تصوير شخص يركض. الصورة الناتجة غير واضحة لأن مصراع الكاميرا يسمح للضوء بالتقاط الصورة ، ليس بالسرعة الكافية ، ولا يزال الشخص يعمل في الإطار قبل أن يلتقط المصراع صورة واضحة.

للتغلب على هذه المشكلة ، استخدم الفريق ليزرًا فائق السرعة ، يبعث نبضات ضوئية تدوم 25 فمتوثانية فقط (فيثانية واحدة تساوي 1 مليار من المليون من الثانية). قاموا بتقسيم نبضة الليزر إلى نبضتين منفصلتين واستهدافهم لعينة NiPS₃. تم ضبط النبضتين على بعضهما البعض مع تأخير طفيف ، مما أدى إلى إطلاق العينة الأولى أو “ركل” العينة ، وتصوير استجابة العينة الثانية بدقة 25 فيمتوثانية. وبهذه الطريقة ، تمكنوا من إنشاء “أفلام” فائقة السرعة يمكن من خلالها استنباط تفاعلات الجسيمات المختلفة داخل الجسم.

على وجه الخصوص ، قاموا بقياس الكمية الدقيقة للضوء المنعكس من العينة كدالة للوقت بين نبضتين. إذا كانت هناك جسيمات هجينة ، يجب أن يتغير هذا الانعكاس بطريقة معينة. حدث هذا عندما تم تبريد العينة إلى أقل من 150 كلفن وأصبحت المادة مغنطيسية مضادة.

يقول إركسن: “لا يمكن رؤية هذا الجسيم الهجين إلا تحت درجة حرارة معينة ، عند تنشيط المغناطيسية”.

لتحديد مكونات معينة للجسيم ، قام الفريق أولاً بتمييز لون أو تردد الليزر ووجدوا أن الجسيم الهجين كان مرئيًا عندما كان هناك تردد للضوء المنعكس حول نوع معين من التغيير الذي يحدث أثناء الإلكترون. يتحرك بين مداري D. نظروا إلى الفاصل الزمني للأنماط الزمنية المرئية داخل طيف الضوء المنعكس ووجدوا أنه يطابق طاقة نوع معين من الفونون. أوضح هذا أن الجسيم الهجين يحتوي على إلكترونات مدارية D وإثارة لهذا الفونون المعين.

لقد طوروا بعض النماذج الأخرى بناءً على قياساتهم ووجدوا أن القوة التي تربط الإلكترون بالإلكترون أقوى بعشر مرات من تلك المقدرة لهجائن إلكترون-فونون أخرى معروفة.

يقول إلياس: “تتمثل إحدى الطرق الممكنة لاستخدام هذه الجسيمات الهجينة في السماح لمكون واحد بالاندماج والآخر للتحول بشكل غير مباشر”. “بهذه الطريقة ، يمكنك تغيير خصائص شيء ما ، مثل الحالة المغناطيسية للنظام.”

ملاحظة: إمري إركيسين ، باتير إلياس ، دان ماو ، هوي تشون بو ، محمد بروك يلماس ، جونغيون كيم ، جي كيون بارك ، د. مواقع الترابط الإلكترون-الفونون الفونونية المضيئة المغناطيسية لسنثيل ونوه كيديك في Van der Waals Antifero Magnet ، 10 كانون الثاني (يناير) 2022 ، الاتصال الطبيعي.
DOI: 10.1038 / s41467-021-27741-3

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