Fizycy zgłaszają nowe spostrzeżenia dotyczące egzotycznych cząstek kluczowych dla magnetyzmu

1 sierpnia 2024

Ten artykuł został poddany recenzji zgodnie z procesem redakcyjnym i zasadami Science X. Redaktorzy zwrócili uwagę na następujące cechy, dbając jednocześnie o wiarygodność treści:

• sprawdzanie faktów
• publikacje recenzowane przez rówieśników
• zaufane źródło
• korekta

autorstwa Elizabeth A. Thomson, Massachusetts Institute of Technology

Fizycy z MIT i ich koledzy raportują nowe spostrzeżenia dotyczące egzotycznych cząstek kluczowych dla formy magnetyzmu, która przyciąga coraz większe zainteresowanie, ponieważ pochodzi z ultracienkich materiałów zaledwie kilka warstw atomowych. Praca, która może mieć wpływ na przyszłą elektronikę i nie tylko, ustanawia również nowy sposób badania tych cząstek za pomocą potężnego instrumentu w Narodowym Źródle Światła Synchrotronowego II w Laboratorium Narodowym Brookhaven.

Wśród swoich odkryć, zespół zidentyfikował mikroskopijne źródło tych cząstek, znanych jako egzotony. Pokazali, jak można nimi sterować, poprzez "dopasowywanie" chemiczne materiału, który składa się głównie z niklu. Co więcej, odkryli, że egzotony rozprzestrzeniają się w całym materiale, a nie są związane z atomami niklu.

Wreszcie udowodnili, że mechanizm stojący za tymi odkryciami jest powszechny dla podobnych materiałów opartych na niklu, otwierając drzwi do identyfikowania—i kontrolowania—nowych materiałów o specjalnych właściwościach elektronicznych i magnetycznych.

Otwarte wyniki dostępne są w lipcowym wydaniu Physical Review X.

"W zasadzie opracowaliśmy nowy kierunek badania tych magnetycznych dwuwymiarowych materiałów, który bardzo polega na zaawansowanej metodzie spektroskopowej, rezonansowym rozpraszaniu promieni rentgenowskich (RIXS), dostępnej w Laboratorium Narodowym Brookhaven" - mówi Riccardo Comin, profesor nadzwyczajny fizyki i lider pracy na Wydziale Rozwoju Kariery Klasy 1947 na MIT.

Materiały magnetyczne stanowiące serce obecnych badań są znane jako dihalogenki niklu. Składają się z warstw atomów niklu zasłoniętych warstwami atomów halogenu (halogeny to jedna z rodzin pierwiastków), które można wyizolować na warstwy atomowo cienkie. W tym przypadku fizycy badali właściwości elektroniczne trzech różnych materiałów składających się z niklu oraz halogenów: chloru, bromu lub jodu. Pomimo pozornie prostej struktury, te materiały są gospodarzami bogatego spektrum zjawisk magnetycznych.

Zespół interesował się tym, w jaki sposób właściwości magnetyczne tych materiałów reagują na działanie światła. Szczególnie zależało im na określonych cząstkach—egzotonach—i na związku, jaki mają z podstawowym magnetyzmem. Jak dokładnie powstają? Czy można nimi sterować?

Stały materiał składa się z różnych typów cząstek elementarnych, takich jak protony i elektrony. Równie wszechobecne w tych materiałach są "kwazicząstki", których publiczność mniej zna. Należą do nich egzotony, które składają się z elektronu i "dziury" lub przestrzeni pozostawionej, gdy na materiał pada światło, a energia fotonu sprawia, że elektron wyskakuje z pozycji. na jądro.

Dzięki tajemnicom mechaniki kwantowej, elektron i dziura są wciąż połączone i mogą "komunikować" się ze sobą poprzez oddziaływania elektrostatyczne. To oddziaływanie prowadzi do nowej cząstki złożonej z elektronu i dziury—egzotonu.

Egzotony, w odróżnieniu od elektronów, nie mają ładunku, ale posiadają spin. Spin można myśleć o jak o elementarnej magnesie, w którym elektrony przypominają małe igły, orientujące się w określony sposób. W zwykłym magnesie lodówkowym wszystkie spiny wskazują w tę samą stronę. Ogólnie rzecz biorąc, spiny mogą organizować się w inne wzory prowadząc do różnych rodzajów magnesów. Unikalny magnetyzm związany z dihalogenkami niklu to jedna z tych mniej konwencjonalnych form, co sprawia, że jest atrakcyjny dla badań podstawowych i stosowanych.

Zespół z MIT badał, jak egzotony powstają w dihalogenkach niklu. Konkretnie zidentyfikowali dokładne energie, czyli długości fal świetlnych niezbędnych do ich wytworzenia w trzech badanych materiałach.

"Udało nam się zmierzyć i zidentyfikować energię potrzebną do wytworzenia egzotonów w trzech różnych halogenkach niklu, zmieniając atom halogenu od chloru przez brom do jodu" - mówi Occhialini. "Jest to jedny z istotnych kroków w kierunku zrozumienia tego, jak fotony—światło—mogą być w przyszłości wykorzystane do oddziaływania z lub monitorowania stanu magnetycznego tych materiałów." Ostateczne zastosowania obejmują obliczenia kwantowe i nowoczesne sensory.

Praca ta może również pomóc przewidzieć nowe materiały zawierające egzotony, które mogą mieć inne interesujące właściwości. Ponadto, podczas gdy badane egzotony pochodzą z atomów niklu, zespół odkrył, że nie pozostają zlokalizowane tylko w tych miejscach atomowych. Zamiast tego, "pokazaliśmy, że mogą skutecznie przenosić się między miejscami w całym krysztale" - mówi Occhialini. "To obserwowanie skoków jest pierwsze dla tych rodzajów egzotonów i daje wgląd w zrozumienie ich współdziałania z właściwościami magnetycznymi materiału."

Kluczem do tej pracy - w szczególności do obserwacji skoków egzotonów - jest rezonansowe rozpraszanie rentgenowskie z utratą energii (RIXS), technika eksperymentalna, której współautorzy Pelliciari i Bisogni pomogli stworzyć. Tylko kilka obiektów na świecie posiada zaawansowane instrumenty rezonansem wysokiej rozdzielczości RIXS. Jednym z nich jest Brookhaven. Pelliciari i Bisogni są częścią zespołu prowadzącego placówkę RIXS w Brookhaven. Occhialini dołączy do tego zespołu jako stypendysta post-doc po uzyskaniu doktoratu na MIT.

RIXS, dzięki swojej specyficznej wrażliwości na egzotony pochodzące z atomów niklu, pozwolił zespołowi "ustalić podstawy ogólnego ramienia dla systemów dihalogenków niklu" - mówi Pelliciari. "pozwoliło nam to bezpośrednio zmierzyć propagację egzotonów."