В мире частиц иногда два лучше, чем один. Возьмем, к примеру, электронные пары. Когда два электрона связаны вместе, они могут избегать трения, что придает материалу особые сверхпроводящие свойства. Такие спаренные электроны, или куперовские пары, представляют собой своего рода гибридную частицу — составную часть двух частиц, которая ведет себя как одна, со свойствами, превосходящими сумму ее частей.
Недавно физики Массачусетского технологического института обнаружили гибридную частицу другого типа в необычном двумерном магнитном материале. Они определили, что гибридная частица представляет собой смесь электрона и фонона (квазичастица, которая образуется из вибрирующих атомов материала). Когда они измерили силу между электроном и фононом, они обнаружили, что клей, или связь, в 10 раз прочнее, чем любой другой известный на сегодняшний день электрон-фононный гибрид.
Исключительная связь частицы предполагает, что ее электрон и фонон могут быть настроены в тандеме; например, любое изменение электрона должно повлиять на фонон, и наоборот. В принципе, электронное возбуждение, такое как напряжение или свет, приложенное к гибридной частице, может стимулировать электрон, а также воздействовать на фонон, который влияет на структурные или магнитные свойства материала. Такое двойное управление могло бы позволить ученым применять напряжение или свет к материалу для настройки не только его электрических свойств, но и его магнетизма.
Результаты особенно важны, так как команда идентифицировала гибридную частицу в трисульфиде никеля и фосфора (NiPS 3), двумерном материале, который в последнее время привлек внимание своими магнитными свойствами. Ученые считают, что если бы этими свойствами можно было управлять, например, с помощью недавно обнаруженных гибридных частиц, этот материал можно было бы использовать в качестве нового типа магнитного полупроводника, который можно было бы использовать в меньшей и куда более быстрой и энергоэффективной электронике.
Обычно движение электронов и других субатомных частиц слишком быстрое, чтобы его можно было запечатлеть даже с помощью самой быстрой камеры в мире. Задача, похожа на фотографирование бегущего человека. Полученное изображение размыто, потому что затвор камеры, который пропускает свет для захвата изображения, работает недостаточно быстро, и человек все еще движется в кадре, прежде чем затвор успевает сделать четкий снимок.
Чтобы обойти эту проблему, команда использовала сверхбыстрый лазер, излучающий световые импульсы длительностью всего 25 фемтосекунд (одна фемтосекунда составляет 1 миллионную от 1 миллиардной секунды). Они разделили лазерный импульс на два отдельных импульса и направили их на образец NiPS 3. Два импульса были установлены с небольшой задержкой друг относительно друга, так что первый стимулировал или "толкал" образец, а второй регистрировал реакцию образца с временным разрешением 25 фемтосекунд. Таким образом, они смогли создать сверхбыстрое "кино", из которого можно было вывести взаимодействие различных частиц внутри материала.
В частности, они измерили точное количество света, отраженного от образца, в зависимости от времени между двумя импульсами. Это отражение должно определенным образом меняться, если присутствуют гибридные частицы. Так оказалось при охлаждении образца ниже 150 кельвинов, когда материал стал антиферромагнитным.
Чтобы определить конкретные составляющие частицы, команда изменила цвет или частоту первого лазера и обнаружила, что гибридная частица была видна, когда частота отраженного света была около определенного типа перехода, который, как известно, происходит, когда электрон перемещается между двумя d-орбиталями. Они также изучили интервал периодического паттерна, видимого в спектре отраженного света, и обнаружили, что он соответствует энергии определенного вида фонона. Это прояснило, что гибридная частица состоит из возбуждений d-орбитальных электронов и этого специфического фонона.
Они провели дальнейшее моделирование, основанное на своих измерениях, и обнаружили, что сила, связывающая электрон с фононом, примерно в 10 раз сильнее, чем то, что было оценено для других известных электрон-фононных гибридов.
По словам ученых, один из потенциальных способов использования этой гибридной частицы заключается в том, что она может позволить соединиться с одним из компонентов и косвенно настроить другой. Таким образом, можно изменить свойства материала, например, магнитное состояние системы.
