Fysiker rapporterar nya insikter i exotiska partiklar som är nyckeln till magnetism

1 augusti 2024

Den här artikeln har granskats enligt Science X:s redaktionella process och policys. Redaktörerna har framhävt följande attribut samtidigt som de säkerställt innehållets trovärdighet:

• faktagranskad
• peer-reviewad publicering
• pålitlig källa
• korrekturläst

av Elizabeth A. Thomson, Massachusetts Institute of Technology

Fysiker från MIT och kollegor rapporterar nya insikter om exotiska partiklar som är nyckeln till en form av magnetism som har väckt ökat intresse eftersom den kommer från ultratunna material endast några atomlager tjocka. Arbetet, som skulle kunna påverka framtida elektronik och mer, etablerar också ett nytt sätt att studera dessa partiklar genom en kraftfull instrument vid National Synchrotron Light Source II vid Brookhaven National Laboratory.

Bland deras upptäckter har teamet identifierat den mikroskopiska härkomsten av dessa partiklar, kända som excitoner. De visade hur de kan kontrolleras genom att kemiskt "justera" materialet, som i huvudsak består av nickel. Dessutom fann de att excitonerna sprider sig genom hela materialet istället för att vara bundna till nickelsatomer.

Till sist bevisade de att mekanismen bakom dessa upptäckter är allmängiltig för liknande nickelbaserade material, vilket öppnar dörren för identifiering – och kontroll – av nya material med speciella elektroniska och magnetiska egenskaper.

Resultaten med öppen tillgång rapporteras i den 12 juli-utgåvan av Physical Review X.

”Vi har i princip utvecklat en ny forskningsriktning för studiet av dessa magnetiska tvådimensionella material som starkt förlitar sig på en avancerad spektroskopisk metod, resonant inelastisk röntgenspridning (RIXS), som är tillgänglig vid Brookhaven National Lab,” säger Riccardo Comin, MIT:s Class of 1947 Career Development Associate Professor of Physics och ledare för arbetet.

De magnetiska materialen vid kärnan av det aktuella arbetet är kända som nickeldihalider. De består av lager av nickelsatomer sandwichade mellan lager av halogenatomer (halogener är en familj av element), som kan isoleras till atomtunna lager. I detta fall studerade fysikerna de elektroniska egenskaperna hos tre olika material bestående av nickel och halogenerna klor, brom eller jod. Trots deras skenbart enkla struktur, har dessa material en mångfald av magnetiska fenomen.

Teamet var intresserat av hur dessa materials magnetiska egenskaper reagerar när de exponeras för ljus. De var specifikt intresserade av särskilda partiklar – excitonerna – och hur de är relaterade till den underliggande magnetismen. Hur bildas de exakt? Kan de kontrolleras?

Ett fast material består av olika typer av grundläggande partiklar, som protoner och elektroner. Även vanliga i sådana material är "kvasipartiklar" som allmänheten är mindre bekanta med. Dessa inkluderar excitoner, som är sammansatta av en elektron och ett 'hål,' eller det utrymme som lämnas kvar när ljus lyser på ett material och energin från en foton får en elektron att hoppa ut ur sin vanliga position.

Genom kvantmekanikens mysterier är dock elektronen och hålet fortfarande kopplade och kan 'kommunicera' med varandra genom elektrostatiska interaktioner. Denna interaktion leder till en ny sammansatt partikel som bildas av elektronen och hålet – en exciton.

Excitoner har, till skillnad från elektroner, ingen laddning men har spinn. Spinnen kan tänkas som en elementär magnet, där elektronerna är som små nålar som orienterar på ett visst sätt. I ett vanligt kylskåpsmagnet pekar alla spinn i samma riktning. I allmänhet kan spinnen organiseras i andra mönster som leder till olika typer av magneter. Den unika magnetismen som är associerad med nickeldihaliderna är en av dessa mindre konventionella former, vilket gör den till en attraktiv punkt för grundläggande och tillämpad forskning.

MIT-teamet utforskade hur excitoner bildas i nickeldihaliderna. Mer specifikt identifierade de de exakta energierna, eller våglängderna, av ljus som behövs för att skapa dem i de tre material de studerade.

”Vi kunde mäta och identifiera den energi som behövs för att bilda excitonerna i tre olika nickeldihalider genom att kemiskt 'justera,' eller ändra, halogenatomen från klor till brom till jod,” säger Occhialini. ”Detta är ett avgörande steg mot att förstå hur fotoner – ljus – en dag kan användas för att interagera med eller övervaka de magnetiska egenskaperna hos dessa material.” Slutliga tillämpningar inkluderar kvantdatorer och nya sensorer.