bởi Jennifer Chu, Viện Công nghệ Massachusetts
Các nhà vật lý của MIT đã phát hiện ra một hạt lai trong một vật liệu từ tính hai chiều, bất thường. Hạt lai là sự kết hợp của một electron và một phonon. Nhà cung cấp hình ảnh: Christine Daniloff, MIT
Trong thế giới hạt, đôi khi hai hạt tốt hơn một. Lấy ví dụ, các cặp electron. Khi hai electron liên kết với nhau, chúng có thể lướt qua vật liệu mà không có ma sát, tạo cho vật liệu những tính chất siêu dẫn đặc biệt. Các cặp electron được ghép nối như vậy, hay còn gọi là cặp Cooper, là một loại hạt lai - tổng hợp của hai hạt hoạt động như một, với các đặc tính lớn hơn tổng các phần của nó.
Giờ đây, các nhà vật lý của MIT đã phát hiện ra một loại hạt lai khác trong một vật liệu từ tính hai chiều, bất thường. Họ xác định rằng hạt lai là sự kết hợp của một điện tử và một phonon (một loại hạt được tạo ra từ các nguyên tử dao động của vật liệu). Khi đo lực giữa electron và phonon, họ phát hiện ra rằng keo - hay liên kết - mạnh hơn 10 lần so với bất kỳ loại lai giữa electron-phonon nào khác được biết đến cho đến nay.
Liên kết đặc biệt của hạt cho thấy rằng electron và phonon của nó có thể được điều chỉnh song song với nhau; ví dụ, bất kỳ thay đổi nào đối với điện tử sẽ ảnh hưởng đến phonon, và ngược lại. Về nguyên tắc, một kích thích điện tử, chẳng hạn như điện áp hoặc ánh sáng, được áp dụng cho hạt lai có thể kích thích điện tử như bình thường, và cũng ảnh hưởng đến phonon, ảnh hưởng đến tính chất cấu trúc hoặc từ tính của vật liệu. Điều khiển kép như vậy có thể cho phép các nhà khoa học áp dụng điện áp hoặc ánh sáng lên một vật liệu để điều chỉnh không chỉ các đặc tính điện mà còn cả từ tính của nó.
Các kết quả đặc biệt có liên quan, vì nhóm đã xác định được hạt lai trong niken phốt pho trisulfide (NiPS3), một vật liệu hai chiều đã thu hút sự quan tâm gần đây vì các đặc tính từ tính của nó. Nếu những đặc tính này có thể được sử dụng, chẳng hạn như thông qua các hạt lai mới được phát hiện, các nhà khoa học tin rằng một ngày nào đó vật liệu này có thể hữu ích như một loại bán dẫn từ tính mới, có thể được chế tạo thành các thiết bị điện tử nhỏ hơn, nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.
Nuh Gedik, giáo sư vật lý tại MIT cho biết: “Hãy tưởng tượng nếu chúng ta có thể kích thích một electron và phản ứng từ tính. Sau đó, bạn có thể tạo ra các thiết bị rất khác với cách chúng hoạt động ngày nay."
Gedik và các đồng nghiệp của ông đã công bố kết quả của họ ngày hôm nay trên tạp chí Nature Communications . Các đồng tác giả của ông bao gồm Emre Ergeçen, Batyr Ilyas, Dan Mao, Hoi Chun Po, Mehmet Burak Yilmaz, và Senthil Todadri tại MIT, cùng với Junghyun Kim và Je-Geun Park của Đại học Quốc gia Seoul ở Hàn Quốc.
Tấm hạt
Lĩnh vực vật lý vật chất ngưng tụ hiện đại một phần tập trung vào việc tìm kiếm các tương tác trong vật chất ở kích thước nano. Những tương tác như vậy, giữa các nguyên tử, electron và các hạt hạ nguyên tử khác của vật liệu, có thể dẫn đến những kết quả đáng ngạc nhiên, chẳng hạn như hiện tượng siêu dẫn và các hiện tượng kỳ lạ khác. Các nhà vật lý tìm kiếm những tương tác này bằng cách ngưng tụ các chất hóa học trên bề mặt để tổng hợp các tấm vật liệu hai chiều, có thể mỏng như một lớp nguyên tử.
Vào năm 2018, một nhóm nghiên cứu ở Hàn Quốc đã phát hiện ra một số tương tác bất ngờ trong các tấm tổng hợp NiPS3 , một vật liệu hai chiều trở thành phản nam châm ở nhiệt độ rất thấp khoảng 150K, hay -123 độ C. Cấu trúc vi mô của một phản nam châm giống như một mạng lưới tổ ong của các nguyên tử mà spin của chúng ngược lại với spin của các nguyên tử láng giềng của chúng. Ngược lại, vật liệu sắt từ được tạo thành từ các nguyên tử có spin thẳng hàng theo cùng một hướng.
Trong thăm dò NiPS3, nhóm đó đã phát hiện ra rằng có thể nhìn thấy một kích thích kỳ lạ khi vật liệu được làm lạnh dưới quá trình chuyển đổi phản sắt từ của nó, mặc dù bản chất chính xác của các tương tác gây ra điều này vẫn chưa rõ ràng. Một nhóm khác đã tìm thấy dấu hiệu của một hạt lai, nhưng các thành phần chính xác của nó và mối quan hệ của nó với sự kích thích kỳ lạ này cũng không rõ ràng.
Gedik và các đồng nghiệp của ông tự hỏi liệu họ có thể phát hiện ra hạt lai hay không, và xác định hai hạt tạo nên tổng thể, bằng cách bắt các chuyển động đặc trưng của chúng bằng tia laser siêu nhanh.
Ấn tượng của một nghệ sĩ về các electron khu trú trong các quỹ đạo d tương tác mạnh mẽ với các sóng dao động mạng tinh thể (phonon). Cấu trúc tiểu thùy mô tả đám mây điện tử của các ion niken trong NiPS3 , còn được gọi là các obitan. Các sóng phát ra từ cấu trúc quỹ đạo đại diện cho dao động phonon. Các sọc phát sáng màu đỏ cho thấy sự hình thành trạng thái liên kết giữa các electron và dao động mạng tinh thể. Hình ảnh: Emre Ergecen
Từ tính có thể nhìn thấy
Thông thường, chuyển động của các electron và các hạt hạ nguyên tử khác quá nhanh so với hình ảnh, ngay cả với máy ảnh nhanh nhất thế giới. Gedik nói rằng thử thách tương tự như việc chụp ảnh một người đang chạy. Hình ảnh thu được bị mờ do màn trập của máy ảnh, nơi cho phép ánh sáng để chụp ảnh, không đủ nhanh và người vẫn đang chạy trong khung trước khi màn trập có thể chụp được một bức ảnh rõ nét.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một tia laser cực nhanh phát ra xung ánh sáng chỉ kéo dài 25 femto giây (một femto giây bằng 1 phần triệu của 1 phần tỷ giây). Họ chia xung laser thành hai xung riêng biệt và nhắm chúng vào một mẫu NiPS3. Hai xung được thiết lập với độ trễ nhỏ so với nhau để xung đầu tiên được kích thích hoặc "đá" vào mẫu, trong khi xung thứ hai ghi lại phản hồi của mẫu, với độ phân giải thời gian là 25 femto giây. Bằng cách này, họ có thể tạo ra "phim" siêu nhanh mà từ đó có thể suy ra tương tác của các hạt khác nhau trong vật liệu.
Đặc biệt, họ đo lượng ánh sáng phản xạ chính xác từ mẫu như một hàm thời gian giữa hai xung. Sự phản xạ này sẽ thay đổi theo một cách nhất định nếu có mặt các hạt lai. Điều này xảy ra khi mẫu được làm lạnh dưới 150K, khi đó vật liệu trở nên phản sắt từ.
Ergeçen cho biết: “Chúng tôi phát hiện ra hạt lai này chỉ có thể nhìn thấy dưới một nhiệt độ nhất định, khi từ tính được bật lên.”
Để xác định các thành phần cụ thể của hạt, nhóm nghiên cứu đã thay đổi màu sắc hoặc tần số của tia laser đầu tiên và nhận thấy rằng hạt lai có thể nhìn thấy khi tần số của ánh sáng phản xạ xung quanh một kiểu chuyển đổi cụ thể được biết là xảy ra khi một điện tử chuyển động giữa hai obitan d. Họ cũng xem xét khoảng cách của vân tuần hoàn có thể nhìn thấy trong quang phổ ánh sáng phản xạ và nhận thấy nó phù hợp với năng lượng của một loại phonon cụ thể. Điều này làm rõ rằng hạt lai bao gồm kích thích của các electron quỹ đạo d và phonon cụ thể này.
Họ đã thực hiện một số mô hình hóa sâu hơn dựa trên các phép đo của họ và nhận thấy lực liên kết giữa electron với phonon mạnh hơn khoảng 10 lần so với những gì được ước tính đối với các giống lai electron-phonon khác.
Ilyas nói: “Một cách tiềm năng để khai thác hạt lai này là, nó có thể cho phép bạn ghép nối với một trong các thành phần và điều chỉnh gián tiếp thành phần kia. Bằng cách đó, bạn có thể thay đổi các đặc tính của vật liệu, chẳng hạn như trạng thái từ tính của hệ thống."