Naukowcy odkryli nową hybrydową cząstkę zbudowaną z elektronu i fononu

Czegoś takiego fizycy jeszcze nie widzieli – hybrydowa cząstka o nietypowych właściwościach

Fizycy odkryli nowy rodzaj hybrydowej cząstki elementarnej, stanowiącej połączenie elektronu i fononu. Zaskakujące jest to, że istniejące między nimi wiązanie jest aż 10 razy silniejsze niż jakakolwiek inna siła elektronowo-fononowa. To odkrycie może przyczynić się do rozwoju elektroniki.

Wiele cząstek elementarnych występuje w parach, co nadaje im niezwykłych właściwości. Dwa związane elektrony mogą przemieszczać się po materiale bez tarcia, nadając mu właściwości nadprzewodzące. Są to cząstki hybrydowe – tzw. pary Coopera – które zachowują się jak jedna cząstka o lepszych właściwościach niż suma ich części. Naukowcy z MIT poszli krok dalej i stworzyli nietypowe połączenie elektronu i fononu (kwazicząstki), a ich wzajemne oddziaływanie ma wielką moc. Wyniki opublikowano w Nature Communications.

Cząsteczkowy klej

Nowa hybrydowa cząstka została wykryta w trójsiarczku niklu fosforu (NiPS3), dwuwymiarowym materiale, który wzbudza zainteresowania naukowców ze względu na swoje właściwości magnetyczne. Jeżeli okaże się, że można nimi manipulować, rosną szanse na stworzenie nowego rodzaju magnetycznego półprzewodnika. To z kolei może przyczynić się do mniejszych, szybszych i bardziej energooszczędnych urządzeń elektronicznych.

Wyobraźmy sobie, że moglibyśmy pobudzić elektron, a w odpowiedzi na to pojawiłby się magnetyzm. Wtedy można by stworzyć urządzenia zupełnie inne od tych, które działają dzisiaj.prof. Nuh Gedik z MIT

W 2018 r. koreańscy naukowcy odkryli nieoczekiwane interakcje w arkuszach NiPS3, które stają się antyferromagnesem przy temperaturach ok. -123oC. Budowa antyferromagnetyka ma strukturę plastra miodu, a spiny sąsiednich atomów są przeciwne. Dla porównania, ferromagnetyk składa się z atomów o spinach ustawionych w tym samym kierunku. Wkrótce po badaniach NiPS3 inna grupa badawcza trafiła na ślady hybrydowej cząstki o niejasnym pochodzeniu.

Czytaj też: Tetraneutron, czyli miniaturowa gwiazda neutronowa. Coraz bliżej potwierdzenia istnienia nieuchwytnej cząstki

Wykorzystując superszybki laser, emitujący impulsy świetlne trwające zaledwie 25 femtosekund, zespół prof. Gedika wykrył hybrydową cząstkę i zidentyfikował jej składniki. Naukowcy stwierdzili, że hybrydowa cząstka była widoczna tylko poniżej pewnej temperatury – kiedy włącza się magnetyzm. Wykazano, że składa się ona z elektronu i fononu. Dalsze pomiary wprawiły fizyków w osłupienie – okazało się, że wiązanie łączące cząstki składowe jest ok. 10 razy silniejsze od innych znanych hybryd elektronowo-fononowych.

Naukowcy mają nadzieję, że dzięki silnemu sprzężeniu obu składników, wpływając na jeden, możemy zmieniać drugi. To z kolei pozwala na zmiany właściwości materiału w określonych warunkach.