Fysici rapporteren nieuwe inzichten in exotische deeltjes die essentieel zijn voor magnetisme.

1 augustus 2024

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en beleid van Science X. Redacteuren hebben de volgende kenmerken benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgden:

• gefactureerd
• peergerecenseerde publicatie
• betrouwbare bron
• nagelezen

door Elizabeth A. Thomson, Massachusetts Institute of Technology

Fysici van MIT en collega's hebben nieuwe inzichten gerapporteerd over exotische deeltjes die essentieel zijn voor een vorm van magnetisme die steeds meer interesse trekt omdat het voortkomt uit ultradunne materialen die slechts enkele atomaire lagen dik zijn. Het werk, dat van invloed kan zijn op toekomstige elektronica en meer, stelt ook een nieuwe manier vast om deze deeltjes te bestuderen met behulp van een krachtig instrument bij de National Synchrotron Light Source II aan het Brookhaven National Laboratory.

Onder hun ontdekkingen heeft het team de microscopische oorsprong van deze deeltjes, bekend als excitonen, geïdentificeerd. Ze toonden aan hoe ze kunnen worden gecontroleerd door het materiaal chemisch 'af te stemmen', dat voornamelijk uit nikkel bestaat. Verder vonden ze dat de excitonen zich door het bulkmateriaal verspreiden in plaats van gebonden te zijn aan de nikkelatomen.

Tenslotte hebben ze bewezen dat het mechanisme achter deze ontdekkingen alomtegenwoordig is bij vergelijkbare op nikkel gebaseerde materialen, wat de weg opent voor het identificeren - en controleren - van nieuwe materialen met bijzondere elektronische en magnetische eigenschappen.

De open-access resultaten worden gerapporteerd in de uitgave van 12 juli van Physical Review X.

'We hebben in wezen een nieuwe onderzoeksrichting ontwikkeld naar de studie van deze magnetische tweedimensionale materialen die sterk afhankelijk is van een geavanceerde spectroscopische methode, resonante inelastische röntgenspectroscopie (RIXS), die beschikbaar is bij Brookhaven National Lab,' zegt Riccardo Comin, MIT's Carrièreontwikkelingsassistent-professor in Natuurkunde en leider van het onderzoek.

De magnetische materialen die centraal staan in het huidige werk staan bekend als nikkel dihalogeniden. Ze zijn samengesteld uit lagen nikkelatomen die zijn ingeklemd tussen lagen halogeenatomen (halogenen zijn een familie van elementen), die kunnen worden geïsoleerd tot atomaire dunne lagen. In dit geval hebben de fysici de elektronische eigenschappen bestudeerd van drie verschillende materialen bestaande uit nikkel en de halogenen chloor, broom en jodium. Ondanks hun bedrieglijk eenvoudige structuur herbergen deze materialen een rijke verscheidenheid aan magnetische fenomenen.

Het team was geïnteresseerd in hoe de magnetische eigenschappen van deze materialen reageren wanneer ze worden blootgesteld aan licht. Ze waren vooral geïnteresseerd in bepaalde deeltjes - de excitonen - en hoe deze gerelateerd zijn aan het onderliggende magnetisme. Hoe ontstaan ze precies? Kunnen ze worden gecontroleerd?

Een vast materiaal is samengesteld uit verschillende soorten elementaire deeltjes, zoals protonen en elektronen. Ook alomtegenwoordig in dergelijke materialen zijn 'quasideeltjes' waar het publiek minder bekend mee is. Hieronder vallen excitonen, die bestaan uit een elektron en een 'gat', of de ruimte die achterblijft wanneer licht op een materiaal wordt geschenen en energie van een foton ervoor zorgt dat een elektron uit zijn gebruikelijke positie springt.

Maar door de mysteries van de quantummechanica zijn het elektron en het gat nog steeds met elkaar verbonden en kunnen ze met elkaar 'communiceren' via elektrostatische interacties. Deze interactie leidt tot een nieuw samengesteld deeltje gevormd door het elektron en het gat - een exciton.

Excitonen hebben, in tegenstelling tot elektronen, geen lading maar bezitten wel spin. De spin kan worden beschouwd als een elementaire magneet, waarbij de elektronen zijn als kleine naalden die zich op een bepaalde manier oriënteren. In een gewone koelkastmagneet wijzen alle spins in dezelfde richting. Over het algemeen kunnen de spins zich organiseren in andere patronen die leiden tot verschillende soorten magneten. Het unieke magnetisme geassocieerd met de nikkel dihalogeniden is een van deze minder conventionele vormen, waardoor het aantrekkelijk is voor fundamenteel en toegepast onderzoek.

Het MIT-team onderzocht hoe excitonen zich vormen in de nikkel dihalogeniden. Meer specifiek identificeerden ze de exacte energieën, of golflengten, van licht die nodig zijn om ze te creëren in de drie materialen die ze hebben bestudeerd.

'We waren in staat om te meten en de energie te identificeren die nodig is om excitonen te vormen in drie verschillende nikkelhalogeniden door de halogenatomen chemisch 'af te stemmen', of te veranderen, van chloor naar broom naar jodium,' zegt Occhialini. 'Dit is een essentiële stap om te begrijpen hoe fotonen - licht - ooit kunnen worden gebruikt om te interageren met of de magnetische toestand van deze materialen te monitoren.' Uiteindelijke toepassingen omvatten quantum computing en nieuwe sensoren.

Deze werkzaamheden kunnen ook helpen bij het voorspellen van nieuwe materialen met excitonen die mogelijk andere interessante eigenschappen hebben. Verder ontdekte het team dat hoewel de bestudeerde excitonen afkomstig zijn van de nikkelatomen, ze niet gelokaliseerd blijven op deze atomaire sites. In plaats daarvan, 'hebben we aangetoond dat ze effectief kunnen hoppen tussen sites door de kristal,' zegt Occhialini. 'Deze observatie van het hoppen is de eerste voor dit soort excitonen, en biedt inzicht in hun interactie met de magnetische eigenschappen van het materiaal.'

Belangrijk voor dit werk - met name voor het observeren van het hoppen van excitonen - is resonante inelastische röntgenspectroscopie (RIXS), een experimentele techniek die mede-auteurs Pelliciari en Bisogni hebben helpen pionieren. Slechts enkele faciliteiten ter wereld hebben geavanceerde RIXS-instrumenten met hoge energieresolutie. Eén daarvan is bij Brookhaven. Pelliciari en Bisogni maken deel uit van het team dat het RIXS-faciliteit bij Brookhaven runt. Occhialini zal zich bij het team voegen als postdoc na het behalen van zijn MIT Ph.D.

Met RIXS, met zijn specifieke gevoeligheid voor de excitonen van de nikkelatomen, kon het team 'de basis leggen voor een algemeen kader voor nikkel dihalide-systemen,' zegt Pelliciari. 'Het stelde ons in staat om de voortplanting van excitonen direct te meten.'