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| Físicos del MIT han detectado una partícula híbrida en un inusual material magnético bidimensional. La partícula híbrida es una mezcla de un electrón y un fonón. Crédito: Christine Daniloff, MIT |
Los físicos del MIT han detectado otro tipo de partícula híbrida: una mezcla de un electrón y un fonón. Esta partícula híbrida se detectó en un material magnético bidimensional poco habitual: el trisulfuro de níquel y fósforo (NiPS3).
Los científicos bautizaron la fuerza entre el electrón y el fonón como pegamento o enlace. Esta fuerza es 10 veces más fuerte que la de cualquier otro híbrido electrón-fonón conocido hasta la fecha.
La unión excepcional de esta partícula híbrida sugiere que el electrón y el fonón podrían estar sintonizados uno frente al otro. Mientras tanto, los cambios del electrón afectan al fonón y viceversa. Este control dual podría permitir a los científicos sintonizar sus propiedades eléctricas y su magnetismo.
Según los científicos, la manipulación de las propiedades del NiPS3 a través de las partículas híbridas recién detectadas podría ser útil algún día como nuevo tipo de semiconductor magnético.
Nuh Gedik, profesor de física del MIT, dijo: "Imagínese que pudiéramos estimular un electrón y que el magnetismo respondiera. Entonces se podrían fabricar dispositivos muy diferentes a los actuales".
"Normalmente, el movimiento de los electrones y otras partículas subatómicas es demasiado rápido para obtener imágenes, incluso con la cámara más rápida del mundo. El reto es similar a tomar una foto de una persona corriendo. La imagen resultante es borrosa porque el obturador de la cámara, que deja pasar la luz para capturar la imagen, no es lo suficientemente rápido, y la persona sigue corriendo en el encuadre antes de que el obturador pueda tomar una imagen clara."
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| Impresión artística de electrones localizados en orbitales d que interactúan fuertemente con las ondas de vibración de la red (fonones). La estructura lobular representa la nube electrónica de los iones de níquel en el NiPS3, también conocida como orbitales. Las ondas que emanan de la estructura orbital representan las oscilaciones de los fonones. Las rayas rojas brillantes indican la formación de un estado ligado entre los electrones y las vibraciones de la red. Imagen: Emre Ergecen |
Los físicos resolvieron este problema utilizando un láser ultrarrápido. El láser emite pulsos de luz que duran sólo 25 femtosegundos.
El pulso láser se dividió en dos pulsos separados y se apuntó a una muestra de NiPS3.
Los físicos fijaron cada pulso con un ligero retraso respecto al otro. Mientras el primero estimulaba o "pateaba" la muestra, el segundo captaba la respuesta de ésta, con una resolución temporal de 25 femtosegundos. De este modo, pudieron crear "películas" ultrarrápidas a partir de las cuales se podían deducir las interacciones de las distintas partículas dentro del material.
Más concretamente, el equipo midió la cantidad exacta de luz reflejada por la muestra en función del tiempo transcurrido entre los dos pulsos. Se producen cambios en la reflexión en presencia de partículas híbridas. Esto ocurría cuando la muestra se enfriaba por debajo de 150 kelvins, cuando el material se volvía antiferromagnético.
Emre Ergeçen, del MIT, dijo: "Descubrimos que esta partícula híbrida sólo es visible por debajo de una determinada temperatura cuando se activa el magnetismo".
A continuación, el equipo varió la frecuencia del primer láser. Lo hicieron para determinar los componentes específicos de la partícula. Se descubrió que la partícula híbrida se hace visible cuando la frecuencia de la luz reflejada está en torno a un tipo particular de transición que se sabe que ocurre cuando un electrón se mueve entre dos orbitales d.
El equipo también observó el espaciado del patrón periódico visible dentro del espectro de luz reflejada. Descubrieron que coincidía con la energía de un tipo específico de fonón. Esto confirmó que la partícula híbrida contiene excitaciones de electrones de orbitales d y este fonón específico.
Batyr Ilyas, del MIT, dijo: "Una forma potencial de aprovechar esta partícula híbrida es que podría permitir acoplar uno de los componentes y afinar indirectamente el otro. De este modo, se podrían cambiar las propiedades de un material, como el estado magnético del sistema".
Fuentes, créditos y referencias:
Emre Ergeçen et al, Magnetically brightened dark electron-phonon bound states in a van der Waals antiferromagnet, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-021-27741-3
Fuente: MIT