Fizycy donoszą o nowych spostrzeżeniach na temat egzotycznych cząstek kluczowych dla magnetyzmu

Fizycy i współpracownicy z MIT donoszą o nowych spostrzeżeniach na temat egzotycznych cząstek kluczowych dla formy magnetyzmu, która cieszy się coraz większym zainteresowaniem, ponieważ pochodzi z ultracienkich materiałów o grubości zaledwie kilku warstw atomowych. Prace, które mogą mieć wpływ na przyszłą elektronikę i nie tylko, ustanawiają także nowy sposób badania tych cząstek za pomocą potężnego instrumentu w Narodowym Synchrotronowym Źródle Światła II w Brookhaven National Laboratory.

Wśród swoich odkryć zespół zidentyfikował mikroskopijne pochodzenie tych cząstek, zwane ekscytonami. Pokazali, jak można je kontrolować poprzez chemiczne „dostrajanie” materiału, który składa się głównie z niklu. Co więcej, odkryli, że ekscytony rozprzestrzeniają się w całym materiale, zamiast wiązać się z atomami niklu.

Wreszcie udowodnili, że mechanizm stojący za tymi odkryciami jest wszechobecny w przypadku podobnych materiałów na bazie niklu, co otwiera drzwi do identyfikacji – i kontrolowania – nowych materiałów o specjalnych właściwościach elektronicznych i magnetycznych.

Wyniki ogólnodostępnego badania opublikowano w wydaniu z 12 lipca Przegląd fizyczny X.

„Zasadniczo opracowaliśmy nowy kierunek badań magnetycznych dwuwymiarowych materiałów, który w dużej mierze opiera się na zaawansowanej metodzie spektroskopowej, rezonansowym nieelastycznym rozpraszaniu promieni rentgenowskich (RIXS), dostępnej w Brookhaven National Lab” – mówi Riccardo Comin, profesor nadzwyczajny fizyki zajmujący się rozwojem kariery zawodowej w MIT w 1947 r. i kierownik prac.

Ultracienkie warstwy

Materiały magnetyczne stanowiące podstawę obecnych prac znane są jako dihalogenki niklu. Składają się z warstw atomów niklu umieszczonych pomiędzy warstwami atomów halogenów (halogeny to jedna z rodzin pierwiastków), które można izolować w celu uzyskania atomowo cienkich warstw. W tym przypadku fizycy badali właściwości elektroniczne trzech różnych materiałów składających się z niklu i halogenów: chloru, bromu lub jodu. Pomimo pozornie prostej struktury, materiały te charakteryzują się dużą różnorodnością zjawisk magnetycznych.

Zespół był zainteresowany tym, jak właściwości magnetyczne tych materiałów reagują na działanie światła. Byli szczególnie zainteresowani konkretnymi cząstkami – ekscytonami – i ich powiązaniem z leżącym u ich podstaw magnetyzmem. Jak dokładnie powstają? Czy można je kontrolować?

Wprowadź ekscytony

Materiał stały składa się z różnych typów cząstek elementarnych, takich jak protony i elektrony. W takich materiałach wszechobecne są także „quasicząstki”, z którymi opinia publiczna jest mniej zaznajomiona. Należą do nich ekscytony, które składają się z elektronu i „dziury”, czyli przestrzeni pozostałej po naświetleniu materiału, a energia fotonu powoduje wyskoczenie elektronu ze swojej zwykłej pozycji.

Jednak dzięki tajemnicom mechaniki kwantowej elektron i dziura są nadal połączone i mogą „komunikować się” ze sobą poprzez oddziaływania elektrostatyczne. Ta interakcja prowadzi do powstania nowej cząstki złożonej utworzonej przez elektron i dziurę – ekscytonu.

Ekscytony, w przeciwieństwie do elektronów, nie mają ładunku, ale posiadają spin. Spin można porównać do elementarnego magnesu, w którym elektrony przypominają małe igły ustawione w określony sposób. W typowym magnesie na lodówkę wszystkie obroty są skierowane w tym samym kierunku. Ogólnie rzecz biorąc, spiny mogą układać się w inne wzory, co prowadzi do powstania różnych rodzajów magnesów. Unikalny magnetyzm związany z dihalogenkami niklu jest jedną z tych mniej konwencjonalnych form, dzięki czemu jest atrakcyjny dla badań podstawowych i stosowanych.

Zespół z MIT zbadał, w jaki sposób w dwuhalogenkach niklu tworzą się ekscytony. Mówiąc dokładniej, zidentyfikowali dokładne energie, czyli długości fal światła niezbędne do ich wytworzenia w trzech badanych materiałach.

„Udało nam się zmierzyć i zidentyfikować energię niezbędną do utworzenia ekscytonów w trzech różnych halogenkach niklu poprzez chemiczne «dostrojenie», czyli zmianę atomu halogenku z chloru na brom i jod” – mówi Occhialini. „To istotny krok w kierunku zrozumienia, w jaki sposób fotony – światło – będą mogły pewnego dnia zostać wykorzystane do interakcji lub monitorowania stanu magnetycznego tych materiałów”. Ostateczne zastosowania obejmują obliczenia kwantowe i nowatorskie czujniki.

Praca może również pomóc w przewidywaniu nowych materiałów zawierających ekscytony, które mogą mieć inne interesujące właściwości. Co więcej, chociaż badane ekscytony pochodzą z atomów niklu, zespół odkrył, że nie pozostają one zlokalizowane w tych miejscach atomowych. Zamiast tego „pokazaliśmy, że mogą skutecznie przeskakiwać między miejscami w krysztale” – mówi Occhialini. „Ta obserwacja przeskakiwania jest pierwszą w przypadku tego typu ekscytonów i pozwala zrozumieć ich wzajemne oddziaływanie z właściwościami magnetycznymi materiału”.

Specjalny instrument

Kluczem do tej pracy – zwłaszcza do obserwacji przeskakiwania ekscytonów – jest rezonansowe nieelastyczne rozpraszanie promieni rentgenowskich (RIXS), technika eksperymentalna, której pionierami byli współautorzy Pelliciari i Bisogni. Tylko kilka obiektów na świecie posiada zaawansowane instrumenty RIXS o wysokiej rozdzielczości energetycznej. Jeden jest w Brookhaven. Pellicyari i Bisogni są częścią zespołu prowadzącego placówkę RIXS w Brookhaven. Occhialini dołączy do tam zespołu jako postdoc po uzyskaniu stopnia doktora na MIT.

RIXS, dzięki swojej specyficznej wrażliwości na ekscytony atomów niklu, pozwolił zespołowi „stworzyć podstawy ogólnych ram dla układów dihalogenku niklu” – mówi Pelliciari. „pozwoliło nam to bezpośrednio zmierzyć propagację ekscytonów”.

Comin współpracujący przy tym projekcie to Connor A. Occhialini, absolwent fizyki na MIT, oraz Yi Tseng, niedawno postdoc MIT, obecnie w Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY). Obaj są współpierwszymi autorami Przegląd fizyczny X papier. Dodatkowymi autorami są Hebatalla Elnaggar z Sorbony; Qian Song, absolwent Wydziału Fizyki MIT; Mark Blei i Seth Ariel Tongay z Uniwersytetu Stanowego w Arizonie; Frank MF de Groot z Uniwersytetu w Utrechcie; oraz Valentina Bisogni i Jonathan Pelliciari z Brookhaven National Laboratory.