Fisici riportano nuove intuizioni sulle particelle esotiche fondamentali per il magnetismo

1 agosto 2024

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di Elizabeth A. Thomson, Massachusetts Institute of Technology

Fisici dell'MIT e colleghi hanno riportato nuove intuizioni sulle particelle esotiche fondamentali per una forma di magnetismo che ha suscitato crescente interesse perché origina da materiali ultrapiatti spessi solo poche strati atomici. Il lavoro, che potrebbe avere un impatto su future tecnologie e non solo, stabilisce anche un nuovo modo per studiare queste particelle attraverso uno strumento potente presso la National Synchrotron Light Source II presso il Brookhaven National Laboratory.

Tra le loro scoperte, il team ha identificato l'origine microscopica di queste particelle, conosciute come eccitoni. Hanno mostrato come possano essere controllate mediante l'aggiustamento chimico del materiale, composto principalmente di nichel. Inoltre, hanno scoperto che gli eccitoni si propagano in tutto il materiale invece di essere legati agli atomi di nichel.

Infine, hanno dimostrato che il meccanismo dietro a queste scoperte è diffuso a materiali simili a base di nichel, aprendo la strada per identificare e controllare nuovi materiali con proprietà elettroniche e magnetiche speciali.

I risultati ad accesso aperto sono riportati nel numero del 12 luglio di Physical Review X.

'Abbiamo essenzialmente sviluppato una nuova direzione di ricerca nello studio di questi materiali magnetici bidimensionali che si basa fortemente su un metodo spettroscopico avanzato, la dispersione degli RX a raggi X risonanti inelastici (RIXS), disponibile presso il Brookhaven National Lab,' afferma Riccardo Comin, Professore Associato di Fisica della Carriera della Classe 1947 dell'MIT e leader del lavoro.

I materiali magnetici al centro del lavoro attuale sono noti come diialogenuri di nichel. Sono composti da strati di atomi di nichel racchiusi tra strati di atomi di alogeno (gli alogeni sono una famiglia di elementi), che possono essere isolati in strati atomicamente sottili. In questo caso, i fisici hanno studiato le proprietà elettroniche di tre diversi materiali composti di nichel e gli alogeni cloro, bromo o iodio. Nonostante la loro struttura apparentemente semplice, questi materiali ospitano una vasta varietà di fenomeni magnetici.

Il team era interessato a come le proprietà magnetiche di questi materiali rispondessero quando esposte alla luce. Erano particolarmente interessati a particelle particolari—gli eccitoni—e come fossero collegati al magnetismo sottostante. In che modo esattamente si formano? Possono essere controllati?

Un materiale solido è composto da diversi tipi di particelle elementari, come protoni ed elettroni. Altre particelle ubiquitarie in tali materiali sono 'quasiparticelle' meno conosciute dal pubblico. Queste includono gli eccitoni, composti da un elettrone e da un 'buco', o lo spazio lasciato quando la luce è proiettata su un materiale e l'energia da un fotone fa saltare un elettrone dalla sua posizione usuale.

Attraverso i misteri della meccanica quantistica, tuttavia, l'elettrone e il buco sono ancora collegati e possono 'comunicare' tra loro attraverso interazioni elettrostatiche. Questa interazione porta alla formazione di una nuova particella composta dall'elettrone e dal buco—un eccitone.

Gli eccitoni, a differenza degli elettroni, non hanno carica ma possiedono spin. Lo spin può essere pensato come un magnete elementare, in cui gli elettroni sono come piccoli aghi che si orientano in un certo modo. In un comune magnete del frigorifero, gli spin puntano tutti nella stessa direzione. In generale, gli spin possono organizzarsi in altri modelli portando a diversi tipi di magneti. Il magnetismo unico associato ai diialogenuri di nichel è una di queste forme meno convenzionali, che lo rende attraente per la ricerca fondamentale e applicata.

Il team dell'MIT ha esplorato come gli eccitoni si formino nei diialogenuri di nichel. Più specificamente, hanno identificato le esatte energie, o lunghezze d'onda, della luce necessarie per crearli nei tre materiali studiati.

'Siamo stati in grado di misurare e identificare l'energia necessaria per formare gli eccitoni in tre diversi emendamenti del nichel, mediante l'aggiustamento chimico, o cambiando, l'atomo dell'emendamento da cloro a bromo a iodio,' afferma Occhialini. 'Questo è un passo essenziale verso la comprensione di come i fotoni—la luce—potrebbero un giorno essere utilizzati per interagire o controllare lo stato magnetico di questi materiali.' Le applicazioni finali includono il calcolo quantico e i sensori innovativi.