En el mundo de las partículas, a veces dos es mejor que uno. Tomemos, por ejemplo, los pares de electrones. Cuando dos electrones están unidos, pueden deslizarse a través de un material sin fricción, dándole al material propiedades superconductoras especiales. Tales pares de electrones, oLos pares de Cooper son una especie de partícula híbrida, un compuesto de dos partículas que se comportan como una sola, con propiedades que son mayores que la suma de sus partes.
Ahora, los físicos del MIT han detectado otro tipo de partícula híbrida en un material magnético bidimensional inusual. Determinaron que la partícula híbrida es una combinación de un electrón y un fonón una cuasipartícula que se produce a partir de los átomos vibrantes de un material.Cuando midieron la fuerza entre el electrón y el fonón, encontraron que el pegamento, o enlace, era 10 veces más fuerte que cualquier otro híbrido electrón-fonón conocido hasta la fecha.
El enlace excepcional de la partícula sugiere que su electrón y fonón podrían sintonizarse en conjunto; por ejemplo, cualquier cambio en el electrón debería afectar al fonón, y viceversa. En principio, una excitación electrónica, como voltaje o luz, aplicada ala partícula híbrida podría estimular el electrón como lo haría normalmente, y también afectar el fonón, lo que influye en las propiedades estructurales o magnéticas de un material.Tal control dual podría permitir a los científicos aplicar voltaje o luz a un material para ajustar no solo sus propiedades eléctricas sino tambiénsu magnetismo.
Los resultados son especialmente relevantes, ya que el equipo identificó la partícula híbrida en el trisulfuro de fósforo y níquel NiPS3, un material bidimensional que ha atraído recientemente el interés por sus propiedades magnéticas.Si estas propiedades pudieran manipularse, por ejemplo a través de las partículas híbridas recién detectadas, los científicos creen que el material algún día podría ser útil como un nuevo tipo de semiconductor magnético, que podría convertirse en una electrónica más pequeña, más rápida y más eficiente energéticamente.
"Imagínese si pudiéramos estimular un electrón y hacer que respondiera el magnetismo", dice Nuh Gedik, profesor de física en el MIT. "Entonces podría hacer dispositivos muy diferentes de cómo funcionan hoy".
Gedik y sus colegas han publicado hoy sus resultados en la revista Comunicaciones de la naturaleza. Sus coautores incluyen a Emre Ergeçen, Batyr Ilyas, Dan Mao, Hoi Chun Po, Mehmet Burak Yilmaz y Senthil Todadri en el MIT, junto con Junghyun Kim y Je-Geun Park de la Universidad Nacional de Seúl en Corea.
hojas de partículas
El campo de la física moderna de la materia condensada se centra, en parte, en la búsqueda de interacciones en la materia a nanoescala. Tales interacciones, entre los átomos, electrones y otras partículas subatómicas de un material, pueden conducir a resultados sorprendentes, como la superconductividady otros fenómenos exóticos. Los físicos buscan estas interacciones condensando productos químicos en superficies para sintetizar láminas de materiales bidimensionales, que podrían hacerse tan delgadas como una capa atómica.
En 2018, un grupo de investigación en Corea descubrió algunas interacciones inesperadas en hojas sintetizadas de NiPS3, un material bidimensional que se convierte en un antiferromagnético a temperaturas muy bajas de alrededor de 150 Kelvin, o -123 grados centígrados. La microestructura de un antiferromagnético se asemeja a una red de panal de átomos cuyos espines son opuestos a los de su vecino. En contraste, un material ferromagnético está formado por átomos con espines alineados en la misma dirección.
En NiPS de sondeo3, ese grupo descubrió que una excitación exótica se hizo visible cuando el material se enfría por debajo de su transición antiferromagnética, aunque la naturaleza exacta de las interacciones responsables de esto no estaba clara. Otro grupo encontró signos de una partícula híbrida, pero sus constituyentes exactos y surelación con esta excitación exótica tampoco estaban claras.
Gedik y sus colegas se preguntaron si podrían detectar la partícula híbrida y desentrañar las dos partículas que forman el todo al capturar sus movimientos característicos con un láser súper rápido.
Magnéticamente visible
Normalmente, el movimiento de los electrones y otras partículas subatómicas es demasiado rápido para visualizarlo, incluso con la cámara más rápida del mundo. El desafío, dice Gedik, es similar a tomar una foto de una persona corriendo. La imagen resultante es borrosa porque la cámarael obturador, que deja pasar la luz para capturar la imagen, no es lo suficientemente rápido y la persona todavía está corriendo en el marco antes de que el obturador pueda tomar una imagen clara.
Para solucionar este problema, el equipo usó un láser ultrarrápido que emite pulsos de luz que duran solo 25 femtosegundos un femtosegundo es 1 millonésima de 1 billonésima de segundo. Dividieron el pulso láser en dos pulsos separados y los dirigieron a unmuestra de NiPS3. Los dos pulsos se configuraron con un ligero retraso entre sí de modo que el primero estimuló o "pateó" la muestra, mientras que el segundo capturó la respuesta de la muestra, con una resolución de tiempo de 25 femtosegundos. De esta manera, fueroncapaz de crear "películas" ultrarrápidas a partir de las cuales se podrían deducir las interacciones de diferentes partículas dentro del material.
En particular, midieron la cantidad precisa de luz reflejada de la muestra en función del tiempo entre los dos pulsos. Este reflejo debería cambiar de cierta manera si hay partículas híbridas presentes. Este resultó ser el caso cuando la muestrase enfrió por debajo de 150 Kelvin, cuando el material se vuelve antiferromagnético.
"Descubrimos que esta partícula híbrida solo era visible por debajo de cierta temperatura, cuando el magnetismo está activado", dice Ergeçen.
Para identificar los componentes específicos de la partícula, el equipo varió el color o la frecuencia del primer láser y descubrió que la partícula híbrida era visible cuando la frecuencia de la luz reflejada estaba alrededor de un tipo particular de transición que se sabe que ocurre cuandoun electrón se mueve entre dos orbitales d. También observaron el espaciado del patrón periódico visible dentro del espectro de luz reflejada y encontraron que coincidía con la energía de un tipo específico de fonón. Esto aclaró que la partícula híbrida consiste en excitaciones de d-electrones orbitales y este fonón específico.
Hicieron algunos modelos adicionales basados en sus mediciones y encontraron que la fuerza que une el electrón con el fonón es aproximadamente 10 veces más fuerte que lo que se ha estimado para otros híbridos electrón-fonón conocidos.
"Una forma potencial de aprovechar esta partícula híbrida es que podría permitirle acoplarse a uno de los componentes y sintonizar indirectamente el otro", dice Ilyas. "De esa manera, podría cambiar las propiedades de un material, como el magnéticoestado del sistema".
Esta investigación fue financiada, en parte, por el Departamento de Energía de EE. UU. y la Fundación Gordon y Betty Moore.
