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

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. -123^oC. 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.