Des physiciens ont détecté une particule hybride dans un matériau magnétique 2D inhabituel

Les physiciens du MIT ont détecté un autre type de particule hybride : un mashup d’un électron et d’un phonon. Cette particule hybride a été détectée dans un matériau magnétique bidimensionnel inhabituel – le trisulfure de nickel-phosphore (NiPS3).

Les scientifiques ont qualifié la force entre l’électron et le phonon de colle ou de liaison. Cette force est 10 fois plus forte que tout autre hybride électron-phonon connu à ce jour.

La liaison d’exception de cette particule hybride suggère que l’électron et le phonon pourraient être accordés l’un en face de l’autre. Pendant ce temps, les changements d’électrons affectent le phonon et vice versa. Un tel double contrôle pourrait permettre aux scientifiques d’ajuster ses propriétés électriques et son magnétisme.

Selon les scientifiques, la manipulation des propriétés de NiPS3 via les particules hybrides nouvellement détectées pourrait un jour être utile en tant que nouveau type de semi-conducteur magnétique.

Nuh Gedik, professeur de physique au MIT, a déclaré : « Imaginez si nous pouvions stimuler un électron et faire réagir le magnétisme. Ensuite, vous pourriez créer des appareils très différents de la façon dont ils fonctionnent aujourd’hui.

« Normalement, le mouvement des électrons et autres particules subatomiques est trop rapide à imager, même avec la caméra la plus rapide du monde. Le défi est similaire à prendre une photo d’une personne qui court. L’image résultante est floue car l’obturateur de l’appareil photo, qui laisse entrer la lumière pour capturer l’image, n’est pas assez rapide, et la personne court toujours dans le cadre avant que l’obturateur ne puisse prendre une photo nette.

Vue d’artiste des électrons localisés dans les orbitales d interagissant fortement avec les ondes vibratoires du réseau (phonons). La structure lobulaire représente le nuage électronique d’ions nickel dans NiPS3, également connu sous le nom d’orbitales. Les ondes émanant de la structure orbitale représentent des oscillations de phonons. Les bandes rougeoyantes indiquent la formation d’un état lié entre les électrons et les vibrations du réseau. Image : Emre Ergecen

Les physiciens ont résolu ce problème en utilisant un laser ultrarapide. Le laser émet des impulsions lumineuses d’une durée de seulement 25 femtosecondes.

L’impulsion laser a été divisée en deux impulsions distinctes et dirigée vers un échantillon de NiPS3.

Les physiciens définissent chaque impulsion avec un léger retard les uns par rapport aux autres. Alors que le premier stimulait ou « donnait » l’échantillon, le second capturait la réponse de l’échantillon, avec une résolution temporelle de 25 femtosecondes. De cette façon, ils pourraient créer des « films » ultrarapides à partir desquels les interactions des différentes particules au sein du matériau pourraient être déduites.

Plus précisément, l’équipe a mesuré la quantité précise de lumière réfléchie par l’échantillon en fonction du temps entre les deux impulsions. Des changements se produisent dans la réflexion en présence de particules hybrides. Cela s’est produit lorsque l’échantillon a été refroidi en dessous de 150 kelvins lorsque le matériau est devenu antiferromagnétique.

Emre Ergeçen du MIT a déclaré : “Nous avons découvert que cette particule hybride n’était visible qu’en dessous d’une certaine température lorsque le magnétisme est activé.”

L’équipe fait ensuite varier la fréquence du premier laser. Ils l’ont fait pour déterminer les constituants spécifiques de la particule. Il a été découvert que la particule hybride devient visible lorsque la fréquence de la lumière réfléchie se situe autour d’un type particulier de transition connu pour se produire lorsqu’un électron se déplace entre deux orbitales d.

L’équipe a également observé l’espacement du motif périodique visible dans le spectre de la lumière réfléchie. Ils ont découvert que cela correspondait à l’énergie d’un type spécifique de phonon. Cela a confirmé que la particule hybride détient des excitations d’électrons orbitaux d et ce phonon spécifique.

Batyr Ilyas du MIT a déclaré : « Un moyen potentiel d’exploiter cette particule hybride est qu’elle pourrait vous permettre de vous coupler à l’un des composants et de régler indirectement l’autre. De cette façon, vous pourriez modifier les propriétés d’un matériau, comme l’état magnétique du système.

Référence de la revue :

  1. Ergeçen, E., Ilyas, B., Mao, D. et al. États liés électrons-phonons sombres éclaircis magnétiquement dans un antiferromagnétique de van der Waals. Nat Commun 13, 98 (2022). DOI : 10.1038/s41467-021-27741-3
 
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