电子 + 声子 = ？
电子 + 声子 = ？Original Måka
原理 2022-01-19 20:30
在粒子世界里，有时“两个比一个好”。
以电子对为例，当两个电子结合在一起时，它们可以在没有摩擦的情况下滑过一种材料，从而赋予这种材料特殊的超导特性。这种成对的电子，也被称作库珀对，是一种混合粒子，它是两种粒子的复合体，但表现为一体，具有一种“1+1＞2”的特性。
近日，物理学家在一种不寻常的二维磁性材料中检测到了另一种混合粒子。他们确定，这种混合粒子是一个电子和一个声子（由一种材料的振动原子产生的准粒子）的“混搭”。
科学家在评估电子和声子之间的力时发现，它们之间的力比迄今为止已知的其他任何电子-声子混合强约10倍，这种不寻常的特性有望带来新的应用。研究已于近日发表在《自然通讯》上。
二维材料薄片
现代凝聚态物理学领域在一定程度上专注于搜寻纳米尺度上物质的相互作用。材料的原子、电子和其他亚原子粒子之间的这种相互作用，可以带来令人惊讶的结果，比如超导性和其他奇异的现象。
物理学家通过将化学制品凝结在表面，合成二维材料的薄片，来寻找这些相互作用，这些材料可以做得只有单个原子层一样薄。
2018年，韩国的一个研究团队在合成的三硫化镍磷（NiPS3）片材中发现了一些意想不到的相互作用。
这种二维材料在大约150开尔文（-123摄氏度）的极低温度下会成为一种反铁磁体。反铁磁体的微观结构类似于原子的蜂窝晶格，这些原子的自旋与相邻原子的自旋相反。相反，铁磁材料则是由自旋排列在同一方向的原子组成。
在探测NiPS3时，团队发现，当材料被冷却到其反铁磁性转变的温度之下时，一种奇异激发就会变得可见，尽管造成这种情况的相互作用的确切性质尚不清楚。另一个团队则发现了一种混合粒子的迹象，但它的确切组分及其与这种奇异激发的关联也仍是一个谜团。
科学家想知道，他们是否有可能检测到这种混合粒子，并通过用超快的激光捕捉它们的标志性运动，从而找出构成整体的两个粒子。
超高速的“电影”
通常情况下，电子和其他亚原子粒子的运动速度太快了，即使借助世界上最快的相机也很难对它们成像。这种挑战就像要拍下一个人飞奔时的照片差不多。拍下的照片很有可能都是模糊的，因为相机的快门（让光线进入来捕捉图像的装置）不够快，而人还一直在奔跑。
为了解决这个问题，新研究的团队使用了一种超快激光，它发射的光脉冲仅仅持续25飞秒（一飞秒是十亿分之一秒的百万分之一）。
他们将激光脉冲分成两个独立的脉冲，将它们对准NiPS3的样品。两个脉冲被设置为相互之间有轻微的延迟，在第一个脉冲刺激样品后，第二个脉冲则捕捉样品的反应，时间分辨率为25飞秒。通过这种方式，他们能够创建超快“电影”，从中就可以推断出材料中不同粒子的相互作用。
特别是，他们测量了样品反射光的精确量随两个脉冲之间的时间变化的函数。如果有混合粒子存在，这种反射应该会以某种特定的方式改变。
事实证明，当样品被冷却到150开尔文以下时，情况确实如此，此时的材料会变成反铁磁性的。这种混合粒子只在一定温度以下，也就是磁性开启时才能看到。
为了确定这种粒子的具体组分，团队改变了第一个激光脉冲的颜色或频率，并发现混合粒子在一种情况下是可见的，那就是当反射光的频率处于某类特定的转变时，而他们已经知道，这种转变在电子在两个d轨道之间移动时才会出现。
他们还研究了反射光光谱中可见的周期性图案的间距，发现它与一种特定的声子能量相匹配。这澄清了混合粒子是由d轨道电子的激发和这种特定声子组成的。
https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHPiaJ5EvR1oCeTC7Yf3R49elibLz1okKIXq8rDP8OEnq0Z5A0uY3UchCmJ4QhpaqfkWQf5icHkXgJuHA/640?wx_fmt=jpeg在d轨道中的电子与晶格振动波（声子）强烈相互作用的艺术构象图。小叶片结构描绘了三硫化镍磷中镍离子的电子云，它也被称为轨道。从轨道结构中发出的波代表声子振荡。红色发光条纹表示电子和晶格振动之间形成了一种结合的状态。｜图片来源：Emre Ergecen / MIT
他们根据测量结果进行了进一步建模，发现将电子与声子结合起来的力比其他已知的电子-声子混合中估计的力要强约10倍。
潜在的新应用
这种粒子的特殊的键表明，它的电子和声子可能被串接调谐了，也就是说，电子的任何变化都会影响到声子，反之亦然。
从原理上来说，施加在混合粒子上的电子激发，比如电压或光，可以像通常那样刺激电子，同时影响声子，从而影响材料的结构或磁性质。这种双重控制可以让科学家对一种材料施加电压或光，而同时调整它的电和磁性质。
团队认为，这些结果意义重大，因为他们是在NiPS3中发现了这种混合粒子。这是一种二维材料，最近因其磁性质而引起了人们的兴趣。如果通过某些方式让这些性质变得可以被操纵，这种材料未来就能作为一种新的磁性半导体，被制成更小、更快、更节能的电子产品。
#创作团队：
编译：Måka排版：雯雯
#参考来源：
https://news.mit.edu/2022/physicists-detect-hybrid-particle-held-together-uniquely-intense-glue-0110#图片来源：
封面图：Emre Ergecen / MIT首图：Christine Daniloff / MIT
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