二維磁性材料發現強烈結合的電子─聲子混合粒子,有助開發磁性半導體

作者 | 發布日期 2022 年 01 月 18 日 13:25 | 分類 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


在粒子世界中,有時候二比一好,比如 2 個電子結合會賦予材料超導特性。最近,麻省理工學院團隊在一種二維磁性材料發現 1 個電子和 1 個聲子以某種方式結合,測量發現它們彼此吸引力比過往已知任何電子─聲子混合粒子都還強 10 倍,可能有助於開發更小、更快、更節能的電子設備。

現代凝聚態物理學研究重點之一是尋找物質在奈米尺度的相互作用,此時材料原子、電子和其他亞原子粒子相互作用可能出現令人驚訝的結果。

2018 年,南韓團隊研究二維 NiPS3 磁性材料(註)時,發現某些意料外的相互作用,似乎有混合粒子出現。

於是麻省理工學院團隊想試著檢測混合粒子。通常,電子和亞原子粒子運動速度都太快所以難以成像,為解決這問題,團隊使用超快雷射脈衝對準 NiPS3 樣品發射,第一個脈衝負責刺激樣品,第二個脈衝負責捕捉樣品的狀態變化,利用這種方式推斷出材料內不同粒子的相互作用。

實驗證明,當樣品冷卻到零下 123℃ 左右會變成反鐵磁性,且混合粒子此時才出現,由 d 軌道電子特定聲子組成。進一步建模結果顯示,這種電子─聲子結合的力比其他已知電子─聲子混合粒子還要強約 10 倍。更重要的是,科學家可透過控制電子或聲子來挑整混合粒子的電氣特性與磁性。

▲ 二維 NiPS3 磁性材料強烈相互作用的電子與聲子示意圖。

麻省理工學院團隊表示,這種可調整的粒子組合對電子產品產生重大影響,也許可「調整」某些材料的混合粒子,創造出新型磁性半導體,為消費者帶來更高效、更高性能、尺寸更小的設備。

新論文發表在《自然通訊》(Nature Communications)期刊。

註:二維 NiPS3 磁性材料在零下 123℃ 左右會變成反鐵磁性,微觀結構類似原子蜂窩晶格,相鄰電子自旋呈相反方向排列。

(圖片來源:麻省理工學院