Physiker berichten über neue Erkenntnisse zu exotischen Teilchen, die für die Magnetismus wichtig sind.

1. August 2024

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Von Elizabeth A. Thomson, Massachusetts Institute of Technology

Physiker des MIT und ihrer Kollegen berichten über neue Erkenntnisse zu exotischen Partikeln, die entscheidend für eine Form von Magnetismus sind, die aufgrund ihrer Herkunft aus ultradünnen Materialien, die nur wenige Atomlagen dick sind, zunehmendes Interesse geweckt hat. Die Arbeit, die sich auch auf die Zukunft der Elektronik und mehr auswirken könnte, etabliert einen neuen Weg, um diese Partikel durch ein leistungsstarkes Instrument am National Synchrotron Light Source II am Brookhaven National Laboratory zu untersuchen.

Das Team hat unter anderem den mikroskopischen Ursprung dieser Partikel, die als Exzitonen bekannt sind, identifiziert. Sie zeigten, wie diese durch chemisches 'Abstimmen' des vorwiegend aus Nickel bestehenden Materials kontrolliert werden können. Darüber hinaus fanden sie heraus, dass die Exzitonen sich im gesamten Material ausbreiten, anstatt an die Nickelatome gebunden zu sein.

Zuletzt konnten sie beweisen, dass der Mechanismus hinter diesen Entdeckungen für ähnliche nickelbasierte Materialien allgegenwärtig ist, was die Identifizierung und Kontrolle neuer Materialien mit speziellen elektronischen und magnetischen Eigenschaften ermöglicht.

Die open-access Ergebnisse werden in der Ausgabe vom 12. Juli des Physical Review X veröffentlicht.

'Wir haben im Grunde genommen eine neue Forschungsrichtung in Bezug auf die Untersuchung dieser magnetischen zweidimensionalen Materialien entwickelt, die sehr stark von einer fortgeschrittenen spektroskopischen Methode, der resonanten inelastischen Röntgenstreuung (RIXS), abhängt, die am Brookhaven National Laboratory verfügbar ist,' sagt Riccardo Comin, MIT's Class of 1947 Career Development Associate Professor of Physics und Leiter der Arbeit.

Die magnetischen Materialien, die im Zentrum der aktuellen Arbeit stehen, sind als Nickelhalogenide bekannt. Sie bestehen aus Lagen von Nickelatomen, die zwischen Lagen von Halogenatomen (Halogene sind eine Familie von Elementen) eingeschlossen sind und in atomar dünnen Schichten isoliert werden können. In diesem Fall untersuchten die Physiker die elektronischen Eigenschaften von drei verschiedenen Materialien, die aus Nickel und den Halogenen Chlor, Brom oder Iod bestehen. Trotz ihrer vermeintlich einfachen Struktur beherbergen diese Materialien eine Vielzahl magnetischer Phänomene.

Das Team war daran interessiert, wie die magnetischen Eigenschaften dieser Materialien auf Licht reagieren. Insbesondere interessierten sie sich für bestimmte Partikel - die Exzitonen - und wie sie mit dem zugrunde liegenden Magnetismus zusammenhängen. Wie genau entstehen sie? Können sie kontrolliert werden?

Ein fester Stoff besteht aus verschiedenen Arten von elementaren Partikeln wie Protonen und Elektronen. Ebenfalls in solchen Materialien weit verbreitet sind "Quasiteilchen", mit denen die Öffentlichkeit weniger vertraut ist. Dazu gehören Exzitonen, die aus einem Elektron und einem 'Loch' bestehen, oder dem Raum, der zurückbleibt, wenn Licht auf ein Material scheint und die Energie eines Photons dazu führt, dass ein Elektron aus seiner üblichen Position springt.

Durch die Geheimnisse der Quantenmechanik sind das Elektron und das Loch jedoch immer noch verbunden und können durch elektrostatische Wechselwirkungen miteinander 'kommunizieren'. Diese Wechselwirkung führt zu einem neuen zusammengesetzten Teilchen, das aus dem Elektron und dem Loch besteht - einem Exziton.

Exzitonen haben im Gegensatz zu Elektronen keine Ladung, aber besitzen Spin. Der Spin kann als ein elementarer Magnet betrachtet werden, bei dem die Elektronen wie kleine Nadeln in eine bestimmte Richtung ausgerichtet sind. Bei einem herkömmlichen Kühlschrankmagneten zeigen alle Spins in die gleiche Richtung. Im Allgemeinen können die Spins sich in anderen Mustern organisieren, die zu verschiedenen Arten von Magneten führen. Der einzigartige Magnetismus, der mit den Nickelhalogeniden verbunden ist, ist eine dieser unkonventionellen Formen, was sie für Grundlagen- und angewandte Forschung attraktiv macht.

Das MIT-Team erforschte, wie Exzitonen in den Nickelhalogeniden entstehen. Genauer gesagt identifizierten sie die genauen Energien oder Wellenlängen des Lichts, die in den drei Materialien, die sie untersucht haben, benötigt werden, um sie zu erzeugen.

'Wir konnten messen und identifizieren, welche Energie benötigt wird, um die Exzitonen in drei verschiedenen Nickelhalogeniden zu bilden, indem wir das Halogenatom von Chlor zu Brom zu Iod chemisch 'abstimmen',' sagt Occhialini. 'Dies ist ein wesentlicher Schritt hin zur Verständnis, wie Photonen - Licht - eines Tages verwendet werden könnten, um mit diesen Materialien zu interagieren oder deren magnetischen Zustand zu überwachen.' Mögliche Anwendungen umfassen die Quantencomputing und neuartige Sensoren.