作者:麻省理工学院朱明华
麻省理工学院的物理学家在一种不寻常的二维磁性材料中发现了一种混合粒子
混合粒子是电子和声子的混合体
学分:麻省理工学院克里斯汀·丹尼洛夫 在粒子世界里，有时候两个比一个好
以电子对为例
当两个电子结合在一起时，它们可以无摩擦地滑过一种材料，赋予这种材料特殊的超导特性
这种成对的电子，或称库珀对，是一种混合粒子——两个粒子的组合，表现为一个整体，其性质大于其各部分的总和
现在，麻省理工学院的物理学家在一种不寻常的二维磁性材料中发现了另一种混合粒子
他们确定混合粒子是电子和声子(一种由材料振动的原子产生的准粒子)的混合体
当他们测量电子和声子之间的力时，他们发现这种胶水——或键——比迄今为止已知的任何其他电子-声子混合物都强10倍
这种粒子特殊的键表明它的电子和声子可能是一前一后调谐的；例如，电子的任何变化都会影响声子，反之亦然
原则上，应用于混合粒子的电子激发，如电压或光，可以像正常情况下一样刺激电子，还会影响声子，从而影响材料的结构或磁性
这种双重控制可以使科学家向一种材料施加电压或光，不仅调整其电学性质，还调整其磁性
这些结果尤其相关，因为研究小组发现了镍磷三硫化物(NiPS3)中的混合粒子，这是一种二维材料，最近因其磁性而引起了人们的兴趣
如果这些特性可以被操纵，例如通过新探测到的混合粒子，科学家们相信这种材料有一天会作为一种新型的磁性半导体有用，它可以被制成更小、更快、更节能的电子器件
麻省理工学院物理学教授努赫·格迪克说:“想象一下，如果我们能刺激一个电子，并让磁性做出反应。”
“然后你就可以制造出与现在截然不同的设备
" 格迪克和他的同事今天在《自然通讯》杂志上发表了他们的研究结果
他的合著者包括麻省理工学院的埃姆雷·埃尔根、巴特尔·易勒雅斯、毛丹、海纯博、穆罕默德·布拉克·伊尔马兹和森希尔·托达里，以及韩国首尔国立大学的金俊贤和朴智贤
粒子片 现代凝聚态物理领域在一定程度上专注于寻找物质在纳米尺度上的相互作用
材料的原子、电子和其他亚原子粒子之间的这种相互作用会导致令人惊讶的结果，例如超导和其他奇异现象
物理学家通过将化学物质凝聚到表面上来合成二维材料片来寻找这些相互作用，这种材料片可以做得像一个原子层一样薄
2018年，韩国的一个研究小组在合成的NiPS3薄片中发现了一些意想不到的相互作用，nips 3是一种二维材料，在大约150开尔文或-123摄氏度的极低温度下会变成反铁磁物质
反铁磁物质的微观结构类似于原子的蜂窝状晶格，其自旋与其相邻原子的自旋相反
相比之下，铁磁材料由自旋方向相同的原子组成
在探测NiPS3时，该小组发现，当材料冷却到其反铁磁转变以下时，一种奇异的激发变得可见，尽管导致这种现象的相互作用的确切性质尚不清楚
另一个小组发现了一种混合粒子的迹象，但它的确切成分及其与这种奇异激发的关系也不清楚
格迪克和他的同事们想知道他们是否能探测到混合粒子，并通过用超快激光捕捉它们标志性的运动来梳理出构成整体的两个粒子
艺术家对电子局限于d轨道与晶格振动波(声子)强相互作用的印象
小叶结构描绘了NiPS3中镍离子的电子云，也称为轨道
从轨道结构发出的波代表声子振荡
红色发光条纹表明电子和晶格振动之间形成束缚态
信用:Emre Ergecen 磁性可见 正常情况下，电子和其他亚原子粒子的运动速度太快，无法成像，即使使用世界上最快的相机也是如此
格迪克说，挑战类似于给一个跑步的人拍照
产生的图像是模糊的，因为相机的快门(让光线进入以捕捉图像)不够快，并且在快门捕捉到清晰的图像之前，人仍然在帧中奔跑
为了解决这个问题，研究小组使用了一种超快激光器，它发射的光脉冲持续时间只有25飞秒(一飞秒是十亿分之一秒的百万分之一)
他们将激光脉冲分成两个独立的脉冲，并将它们对准NiPS3样品
这两个脉冲相互之间有轻微的延迟，因此第一个脉冲刺激或“踢”样本，而第二个脉冲捕获样本的响应，时间分辨率为25飞秒
通过这种方式，他们能够创造出超快的“电影”，从中可以推断出材料中不同粒子的相互作用
特别是，他们测量了作为两个脉冲之间时间的函数的从样品反射的精确光量
如果存在混合粒子，这种反射应该以某种方式改变
当样品冷却到150开尔文以下时，材料变成反铁磁性的，情况就是这样
“我们发现这种混合粒子只有在特定温度下，当磁力开启时才可见，”埃尔格森说
为了确定粒子的具体成分，研究小组改变了第一束激光的颜色或频率，发现当反射光的频率在已知电子在两个d轨道之间移动时会发生的特定类型的跃迁附近时，混合粒子是可见的
他们还观察了反射光谱中可见的周期图案的间距，发现它与一种特定的声子能量相匹配
这阐明了混合粒子由d轨道电子和这种特定声子的激发组成
基于他们的测量，他们做了一些进一步的建模，发现电子与声子的结合力比其他已知的电子-声子混合物的估计值强10倍左右
易勒雅斯说:“利用这种混合粒子的一个潜在方法是，它可以让你耦合到其中一个组件，并间接调谐另一个组件。”
“这样，你可以改变材料的性质，比如系统的磁性状态
"
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