Forskare vid MIT har upptäckt en sorts hybridpartikel i ett ovanligt, tvådimensionellt magnetiskt material (NiPS3). Partikeln består av en mashup av en elektron och en fonon (en kvasipartikel som produceras av ett materials vibrerande atomer) och upptäckten kan få betydelse för en framtida utveckling av nya typer av magnetiska halvledare.
När forskarna vid ansedda Massachusetts Institute of Technology (MIT) mätte kraften mellan elektronen och fononen fann de att limmet, eller bindningen, var 10 gånger starkare än någon annan elektron-fonon-hybrid som är känd hittills. Partikelns exceptionella bindning tyder på att dess elektron och fonon kan vara avstämda i tandem; till exempel bör varje förändring av elektronen påverka fononen och vice versa. I princip kan en elektronisk excitation, såsom spänning eller ljus, applicerad på hybridpartikeln stimulera elektronen som den normalt skulle, och även påverka fononen, vilket påverkar ett materials strukturella eller magnetiska egenskaper. Sådan dubbelkontroll skulle kunna göra det möjligt för forskare att applicera spänning eller ljus på ett material för att justera inte bara dess elektriska egenskaper utan också dess magnetism.
Resultaten är särskilt relevanta, eftersom teamet identifierade hybridpartikeln i nickelfosfortrisulfid (NiPS3), ett tvådimensionellt material som nyligen har väckt intresse för sina magnetiska egenskaper. Om dessa egenskaper kunde manipuleras – till exempel genom de nyligen upptäckta hybridpartiklarna – tror forskare att materialet en dag kan vara användbart som en ny typ av magnetisk halvledare, som kan göras till mindre, snabbare och mer energieffektiv elektronik.
– Tänk om vi kunde stimulera en elektron och få magnetismen att svara. Då kan du göra enheter väldigt annorlunda än hur de fungerar idag, säger Nuh Gedik, professor i fysik vid MIT.
Gedik och hans kollegor har nu publicerat sina resultat i tidskriften Nature Communications. Hans medförfattare inkluderar Emre Ergeçen, Batyr Ilyas, Dan Mao, Hoi Chun Po, Mehmet Burak Yilmaz och Senthil Todadri vid MIT, tillsammans med Junghyun Kim och Je-Geun Park vid Seoul National University i Korea.
Bakgrund
Under 2018 upptäckte en forskargrupp i Korea några oväntade interaktioner i syntetiserade ark av NiPS3, ett tvådimensionellt material som blir en antiferromagnet vid mycket låga temperaturer på runt 150 kelvin, eller -123 grader Celsius. Mikrostrukturen hos en antiferromagnet liknar ett bikakegitter av atomer vars snurr är det motsatta till dess grannes. Däremot är ett ferromagnetiskt material uppbyggt av atomer med snurr riktade i samma riktning.
I undersökningen av NiPS3 upptäckte den gruppen att en exotisk excitation blev synlig när materialet kyls under dess antiferromagnetiska övergång, även om den exakta karaktären av de interaktioner som är ansvariga för detta var oklart. En annan grupp hittade tecken på en hybridpartikel, men dess exakta beståndsdelar och dess samband med denna exotiska excitation var inte heller tydliga.
