MIT 물리학자들은 초고밀도 ‘접착제’로 함께 갇힌 이상한 하이브리드 입자를 발견합니다.

매사추세츠 공과대학(Massachusetts Institute of Technology)의 물리학자들이 특이한 2차원 자성 물질에서 하이브리드 입자를 발견했습니다. 하이브리드 입자는 전자와 포논의 혼합물입니다. 크레딧: Kristen Danilov, MIT

발견은 더 작고 더 빠른 전자 장치에 대한 경로를 제공할 수 있습니다.

입자 세계에서는 때로 하나보다 둘이 낫습니다. 예를 들어, 전자 쌍을 살펴보십시오. 두 개의 전자가 함께 결합하면 마찰 없이 물질을 통과하여 물질에 초전도 특성을 부여할 수 있습니다. 이러한 이중 전자 또는 쿠퍼 쌍은 하이브리드 입자의 한 유형입니다. 두 입자가 단일 입자처럼 행동하는 화합물로, 각 부분의 합보다 더 큰 특성을 가지고 있습니다.

지금 바로 ~와 함께 물리학자들은 특이한 2차원 자성 물질에서 또 다른 유형의 하이브리드 입자를 발견했습니다. 그들은 하이브리드 입자가 전자와 포논(진동하는 물질의 원자에서 생성된 준 입자)의 혼합물임을 결정했습니다. 그들이 전자와 포논 사이의 힘을 측정했을 때, 그들은 고무 또는 결합이 지금까지 알려진 어떤 다른 전자-포논 하이브리드보다 10배 더 강하다는 것을 발견했습니다.

입자의 탁월한 결합은 입자의 전자와 포논이 나란히 조정될 수 있음을 나타냅니다. 예를 들어, 전자의 모든 변화는 포논에 영향을 미치며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 원칙적으로, 하이브리드 입자에 가해지는 전압이나 빛과 같은 전자 여기는 평소와 같이 전자를 여기할 수 있으며, 포논에도 영향을 주어 재료의 구조적 또는 자기적 특성에 영향을 미칩니다. 이러한 이중 제어를 통해 과학자들은 재료에 전압이나 빛을 가하여 재료의 전기적 특성뿐만 아니라 자기도 조정할 수 있습니다.

전자는 격자 진동파와 강하게 상호 작용합니다.

격자 진동파(포논)와 강하게 상호작용하는 d 오비탈에 국한된 전자에 대한 예술가의 인상. 로브 구조는 궤도라고도 알려진 NiPS3의 니켈 이온 전자 구름을 나타냅니다. 궤도 구조에서 방출되는 파동은 포논 진동을 나타냅니다. 빨간색으로 빛나는 선은 전자와 격자 진동 사이에 관련 상태가 형성되었음을 나타냅니다. 크레딧: Emre Ergecin

팀이 NiPS(Ni-phosphorous trisulfide) 하이브리드 입자를 식별했기 때문에 결과는 특히 관련이 있었습니다.) 최근 자기적 특성으로 주목받고 있는 2차원 물질이다. 예를 들어 새로 발견된 하이브리드 입자를 통해 이러한 특성을 조작할 수 있다면 과학자들은 이 물질이 언젠가는 더 작고 더 빠르고 에너지 효율적인 전자 장치로 만들 수 있는 새로운 유형의 자기 반도체로 유용할 수 있다고 믿습니다.

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MIT 물리학 교수인 노 게딕(Noh Gedik)은 “전자와 자기 반응을 여기시킬 수 있다고 상상해 보세요. “그러면 장치를 오늘날의 작동 방식과 완전히 다르게 만들 수 있습니다.”

Jedek과 동료들은 2022년 1월 10일 저널에 결과를 발표했습니다. 네이처 커뮤니케이션즈. 공동 저자에는 MIT의 Emre Ergesen, Patir Elias, Dan Mao, Hui Chun-bo, Mehmet Burak Yilmaz 및 Senthil Todadri와 한국 서울대학교의 김정현, 박제근이 있습니다.

입자 시트

현대 응집 물질 물리학 분야는 부분적으로 나노 스케일에서 물질의 상호 작용을 연구하는 데 중점을 두고 있습니다. 물질의 원자, 전자 및 기타 아원자 입자 간의 이러한 상호 작용은 초전도 및 기타 이상한 현상과 같은 놀라운 결과를 초래할 수 있습니다. 물리학자들은 표면에 화학 물질을 응축시켜 단일 원자 층만큼 얇을 수 있는 2차원 물질 시트를 형성함으로써 이러한 상호 작용을 찾습니다.

2018년 한국의 연구 그룹은 NiPS 복합 패널에서 예상치 못한 상호 작용을 발견했습니다., 약 150K 또는 -123도의 매우 낮은 온도에서 항자성이 되는 2차원 물질 섭씨. 반자성체의 미세 구조는 항아리가 반대로 회전하는 벌집 모양의 원자와 비슷합니다. 대조적으로, 강자성 물질은 동일한 방향으로 정렬된 회전하는 원자로 구성됩니다.

NiPS فحص 분석에서, 그 그룹은 원인이 되는 상호 작용의 정확한 특성이 명확하지 않지만 물질이 반자성 전이를 냉각시키면서 이상한 여기가 가시화된다는 것을 발견했습니다. 다른 그룹은 하이브리드 입자의 징후를 발견했지만 정확한 구성 요소와 이 이상한 여기와의 관계도 명확하지 않았습니다.

Gidick과 그의 동료들은 초고속 레이저로 고유한 움직임을 포착하여 하이브리드 입자를 감지하고 전체를 구성하는 두 입자를 이끌어낼 수 있는지 궁금해했습니다.

자기적으로 보이는

전자 및 기타 아원자 입자의 움직임은 일반적으로 세계에서 가장 빠른 카메라로도 촬영하기에 매우 빠릅니다. 도전은 달리는 사람의 사진을 찍는 것과 같다고 Gedek은 말합니다. 빛이 이미지를 캡처할 수 있도록 하는 셔터가 충분히 빠르지 않고 셔터가 선명한 사진을 찍기 전에 사람이 여전히 프레임에서 작업하고 있기 때문에 결과 이미지가 흐릿합니다.

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이 문제를 해결하기 위해 팀은 25펨토초(1펨토초는 10억분의 1초) 동안 지속되는 빛의 펄스를 방출하는 초고속 레이저를 사용했습니다. 그들은 레이저 펄스를 두 개의 개별 펄스로 분할하고 NiPS 샘플로 보냅니다.. 두 펄스는 서로 약간의 지연으로 설정되어 첫 번째 펄스는 샘플을 자극하거나 “차단”하고 두 번째 펄스는 25펨토초의 시간 분해능으로 샘플 응답을 캡처합니다. 이러한 방식으로 그들은 물질 내 다양한 ​​입자의 상호 작용을 추론할 수 있는 초고속 “영화”를 만들 수 있었습니다.

특히 그들은 두 펄스 사이의 시간 함수로 샘플에서 반사된 빛의 정확한 양을 측정했습니다. 이 반사는 하이브리드 분자의 경우 특정 방식으로 변경되어야 합니다. 이것은 샘플이 150도 켈빈 이하로 냉각되었을 때 물질이 항자성이 되는 경우인 것으로 밝혀졌습니다.

“우리는 이 하이브리드 입자가 자기가 켜져 있을 때 특정 온도에서만 볼 수 있다는 것을 발견했습니다.”라고 Ergeçen이 말했습니다.

입자의 특정 구성 요소를 결정하기 위해 팀은 첫 번째 레이저의 색상이나 주파수를 변경하고 반사된 빛의 주파수가 전자 사이에서 이동하는 것으로 알려진 특정 유형의 전이 주위에 있을 때 하이브리드 입자를 볼 수 있음을 발견했습니다. 두 개의 d 오비탈. 그들은 또한 반사광 스펙트럼 내에서 가시적인 주기적인 패턴의 간격을 관찰했고 그것이 특정 유형의 포논의 에너지와 일치한다는 것을 발견했습니다. 이것은 하이브리드 입자가 d 궤도 전자와 이 특정 포논의 여기에 의해 형성됨을 보여줍니다.

그들은 측정을 기반으로 몇 가지 추가 모델링을 수행했으며 전자를 포논에 결합시키는 힘이 다른 전자-포논 하이브리드에 대해 추정된 것보다 약 10배 더 강하다는 것을 발견했습니다.

“이 하이브리드 입자를 활용하는 한 가지 잠재적인 방법은 한 구성 요소를 페어링하고 다른 구성 요소를 간접적으로 조정할 수 있다는 것입니다.”라고 Elias는 말합니다. “이 방법으로 시스템의 자기 상태와 같은 재료의 속성을 변경할 수 있습니다.”

참고 문헌: Emre Ergesen, Patir Elias, Dan Mao, Hui Chun-bo, Mehmet Burak Yilmaz, Kim Jonghyun, Jeon Park, T. Senthel 및 Noh Gedik의 “반 데르 발스 자기 부상에서 자기적으로 조명된 어두운 전자-포논 결합 상태” , Canon 10 2022년 1월 2일, 네이처 커뮤니케이션즈.
DOI: 10.1038 / s41467-021-27741-3

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이 연구는 미국 에너지부와 Gordon and Betty Moore Foundation의 부분 지원을 받았습니다.

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