Physiker berichten über neue Entdeckungen über exotische Teilchen, die für den Magnetismus wichtig sind

MIT-Physiker und ihre Kollegen haben über neue Erkenntnisse über exotische Teilchen berichtet, die eine Form des Magnetismus antreiben, der wachsendes Interesse erregt, weil er aus ultradünnen Materialien mit einer Dicke von nur wenigen Atomschichten stammt. Diese Arbeit, die sich auf zukünftige Elektronik und vieles mehr auswirken könnte, eröffnet auch eine neue Möglichkeit, diese Teilchen mithilfe eines leistungsstarken Instruments an der National Synchrotron Light Source II des Brookhaven National Laboratory zu untersuchen.

Zu den Entdeckungen des Teams gehörte die Identifizierung des mikroskopischen Ursprungs dieser als Exzitonen bezeichneten Teilchen. Sie zeigte, wie man sie durch chemische „Anpassung“ des Materials, das hauptsächlich aus Nickel besteht, kontrollieren kann. Außerdem entdeckte sie, dass sich die Exzitonen im gesamten Material ausbreiten, anstatt an die Nickelatome gebunden zu sein.

Schließlich bewiesen sie, dass der Mechanismus hinter diesen Entdeckungen in ähnlichen Materialien auf Nickelbasis allgegenwärtig ist, und ebneten so den Weg für die Identifizierung und Kontrolle neuer Materialien mit besonderen elektronischen und magnetischen Eigenschaften.

Die Open-Access-Ergebnisse werden in der Ausgabe vom 12. Juli veröffentlicht Körperliche Untersuchung.

„Wir haben im Wesentlichen eine neue Forschungsrichtung bei der Untersuchung dieser zweidimensionalen magnetischen Materialien entwickelt, die weitgehend auf einer fortschrittlichen spektroskopischen Methode, der resonanten inelastischen Röntgenstreuung (RIXS), basiert, die im Brookhaven National Lab verfügbar ist“, sagt Riccardo Comin , MIT’s Class of 1947 Career Development Associate Professor für Physik und Leiter der Arbeit.

Ultradünne Schichten

Die magnetischen Materialien, die im Mittelpunkt der aktuellen Arbeit stehen, sind als Nickeldihalogenide bekannt. Sie bestehen aus Schichten von Nickelatomen, die zwischen Schichten von Halogenatomen (Halogene sind eine Familie von Elementen) angeordnet sind und in atomar dünne Schichten isoliert werden können. In diesem Fall untersuchten Physiker die elektronischen Eigenschaften von drei verschiedenen Materialien, die aus Nickel und Halogenen wie Chlor, Brom oder Jod bestehen. Trotz ihrer täuschend einfachen Struktur bergen diese Materialien eine Vielzahl magnetischer Phänomene.

Das Team interessierte sich dafür, wie die magnetischen Eigenschaften dieser Materialien reagieren, wenn sie Licht ausgesetzt werden. Sie interessierte sich besonders für bestimmte Teilchen, Exzitetonen und deren Zusammenhang mit dem zugrunde liegenden Magnetismus. Wie genau entstehen sie? Können sie kontrolliert werden?

Geben Sie die Exzitonen ein

Ein Feststoff besteht aus verschiedenen Arten von Elementarteilchen, beispielsweise Protonen und Elektronen. Wir finden in diesen Materialien auch „Quasi-Partikel“, die der Öffentlichkeit weniger bekannt sind. Dazu gehören Exzitonen, bestehend aus einem Elektron und einem „Loch“, also dem Raum, den Licht auf einem Material hinterlässt, und der Energie eines Photons, die ein Elektron aus seiner gewohnten Position bringt.

Dank der Geheimnisse der Quantenmechanik sind Elektron und Loch dennoch miteinander verbunden und können durch elektrostatische Wechselwirkungen miteinander „kommunizieren“. Diese Wechselwirkung führt zu einem neuen Verbundteilchen aus Elektron und Loch: einem Exziton.

Im Gegensatz zu Elektronen haben Exzitonen keine Ladung, aber einen Spin. Den Spin kann man sich wie einen Elementarmagneten vorstellen, bei dem die Elektronen wie kleine Nadeln in einer bestimmten Richtung ausgerichtet sind. Bei einem typischen Kühlschrankmagneten zeigen die Spins alle in die gleiche Richtung. Im Allgemeinen können die Spins in anderen Mustern organisiert sein, was zu unterschiedlichen Magnettypen führt. Der mit Nickeldihalogeniden verbundene einzigartige Magnetismus ist eine dieser weniger konventionellen Formen und macht ihn für die Grundlagen- und angewandte Forschung attraktiv.

Das MIT-Team untersuchte, wie sich in Nickeldihalogeniden Exzitonen bilden. Insbesondere identifizierten sie die genauen Energien oder Wellenlängen des Lichts, die erforderlich sind, um sie in den drei untersuchten Materialien zu erzeugen.

„Wir konnten die Energie messen und identifizieren, die für die Bildung von Exzitonen in drei verschiedenen Nickelhalogeniden erforderlich ist, indem wir das Halogenidatom chemisch von Chlor über Brom zu Jod veränderten“, erklärt Occhialini. „Dies ist ein wesentlicher Schritt zum Verständnis, wie Photonen (Licht) eines Tages zur Wechselwirkung mit diesen Materialien oder zur Überwachung ihres magnetischen Zustands genutzt werden könnten. » Mögliche Anwendungen sind Quantencomputing und neue Sensoren.

Diese Arbeit könnte auch dazu beitragen, neue Materialien mit Exzitonen vorherzusagen, die andere interessante Eigenschaften haben könnten. Obwohl die untersuchten Exzitonen von Nickelatomen stammten, stellte das Team außerdem fest, dass sie nicht an diesen Atomstellen lokalisiert blieben. Stattdessen „haben wir gezeigt, dass sie tatsächlich im gesamten Kristall von einer Stelle zur anderen springen können“, sagt Occhialini. „Diese Sprungbeobachtung ist die erste für diese Art von Exzitonen und bietet einen Einblick in das Verständnis ihrer Wechselwirkung mit den magnetischen Eigenschaften des Materials. »

Ein besonderes Instrument

Die resonante inelastische Röntgenstreuung (RIXS), eine experimentelle Technik, an deren Entwicklung die Co-Autoren Pelliciari und Bisogni beteiligt waren, ist für diese Arbeit von wesentlicher Bedeutung, insbesondere für die Beobachtung von Exzitonensprüngen. Nur wenige Einrichtungen weltweit verfügen über fortschrittliche RIXS-Instrumente mit hoher Energieauflösung. Einer davon befindet sich in Brookhaven. Pelliciari und Bisogni sind Teil des Teams, das die RIXS-Anlage in Brookhaven verwaltet. Occhialini wird dem dortigen Team als Postdoktorand beitreten, nachdem er am MIT promoviert hat.

RIXS mit seiner spezifischen Empfindlichkeit gegenüber den Exzitonen von Nickelatomen ermöglichte es dem Team, „den Grundstein für ein allgemeines Gerüst für Nickeldihalogenidsysteme zu legen“, sagt Pelliciari. „Damit konnten wir die Ausbreitung von Exzitonen direkt messen. »

Zu Comins Kollegen, die an dieser Arbeit beteiligt waren, gehören Connor A. Occhialini, ein Doktorand der MIT-Physik, und Yi Tseng, ein frischgebackener MIT-Postdoktorand, der derzeit am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) arbeitet. Beide sind Co-Erstautoren der Studie Körperliche Untersuchung Die anderen Autoren sind Hebatalla Elnaggar von der Sorbonne; Qian Song, Doktorand in der Physikabteilung des MIT; Mark Blei und Seth Ariel Tongay von der Arizona State University; Frank MF de Groot von der Universität Utrecht; und Valentina Bisogni und Jonathan Pelliciari vom Brookhaven National Laboratory.