MIT物理学家发现了一种由独特强力“胶水”粘在一起混合粒子

诸平

 MIT physicists have detected a hybrid particle in an unusual, two-dimensional magnetic material. The hybrid particle is a mashup of an electron and a phonon. Credit: Christine Daniloff, MIT

 An artist's impression of electrons localized in d-orbitals interacting strongly with lattice vibration waves (phonons). The lobular structure depicts the electronic cloud of nickel ions in NiPS₃, also known as orbitals. The waves emanating from the orbital structure represent phonon oscillations. The red glowing stripes indicate the formation of a bound state between electrons and lattice vibrations. Credit: Emre Ergecen

据美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology简称MIT）2022年1月10日报道，在粒子的世界里，有时候两个比一个好。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材料，使材料具有特殊的超导特性。这种成对的电子，或称库珀对（Cooper pairs），是一种混合粒子，是两个表现为一个的粒子的复合，其性质大于其各部分的总和。

现在，MIT的物理学家在一种不寻常的二维磁性材料中发现了另一种混合粒子。他们确定这种混合粒子是电子和声子(声子是一种由物质振动的原子产生的准粒子)的混合物。当他们测量电子和声子之间的力时，他们发现这种胶水或粘合剂的强度是迄今为止已知的任何其他电子-声子混合物的10倍。

这种粒子特殊的化学键表明，它的电子和声子可能是串联调谐的;例如，电子的任何变化都会影响声子，反之亦然。原则上，电子激发，如电压或光，施加到混合粒子上，可以像往常一样刺激电子，也会影响声子，声子会影响材料的结构或磁性。这种双重控制可以使科学家在材料上施加电压或光，不仅调节其电学特性，而且调节其磁性。

研究小组在三硫化镍磷(nickel phosphorus trisulfide 分子式为NiPS₃)中发现了混合粒子，这一结果尤其相关。NiPS₃是一种二维材料，最近因其磁性吸引了人们的兴趣。如果这些特性能够被操纵，例如通过新检测到的混合粒子，科学家们相信这种材料有一天会被用作一种新型磁性半导体，可以制成更小、更快、更节能的电子产品。

麻省理工学院物理学教授努赫·格迪克（Nuh Gedik）说:“想象一下，如果我们能够激发一个电子，并产生磁性反应。那样的话，你就能制造出与现在截然不同的设备。”

努赫·格迪克和他的同事2022年1月10日已经在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站上发表了他们的研究结果——Emre Ergeçen, Batyr Ilyas, Dan Mao, Hoi Chun Po, Mehmet Burak Yilmaz, Junghyun Kim, Je-Geun Park, T. Senthil, Nuh Gedik. Magnetically brightened dark electron-phonon bound states in a van der Waals antiferromagnet. Nature Communications, 2022; 13 (1), Article number: 98. DOI: 10.1038/s41467-021-27741-3. Published: 10 January 2022. https://www.nature.com/articles/s41467-021-27741-3. 参与此项研究的除了来自MIT的研究人员之外，还有来自韩国首尔国立大学（Seoul National University in Korea）的研究人员。

粒子表（Particle sheets）

现代凝聚态物理的研究领域部分集中在纳米尺度物质间的相互作用。这种物质的原子、电子和其他亚原子粒子之间的相互作用可以导致令人惊讶的结果，比如超导性和其他奇异现象。物理学家通过将化学物质浓缩到物体表面，合成二维材料薄片来寻找这些相互作用，这种材料可以制成像一个原子层那么薄的薄片。

2018年，韩国的一个研究小组在合成的NiPS₃片中发现了一些意想不到的相互作用。NiPS₃是一种二维材料，可以在150 K(或-123℃)左右的低温下变成反铁磁体(antiferromagnet)。反铁磁体的微观结构类似于原子的蜂窝状晶格，其自旋与相邻原子的自旋相反。相反，铁磁材料是由自旋方向相同的原子组成的。

在探测NiPS₃的过程中，该小组发现，当材料冷却到反铁磁跃迁以下时，一种奇异的激发变得可见，尽管导致这种现象的相互作用的确切性质尚不清楚。另一个研究小组发现了混合粒子的迹象，但它的确切成分及其与这种外来激发的关系也不清楚。

努赫·格迪克和他的同事想知道他们是否可以探测到混合粒子，并梳理出组成整体的两种粒子，方法是用超高速激光捕捉它们的标志性运动。 

磁下可见(Magnetically visible)

通常情况下，电子和其他亚原子粒子的运动速度太快，即使用世界上最快的相机也无法成像。努赫·格迪克说，这个挑战类似于拍摄一个人跑步的照片。产生的图像是模糊的，因为相机的快门速度不够快，快门还没来得及拍出清晰的照片，人还在镜头里奔跑。

为了解决这个问题，该团队使用了一种超快激光器，它能发出持续时间仅为25飞秒的光脉冲。他们将激光脉冲分裂成两个单独的脉冲，并将它们对准NiPS₃的样本。两个脉冲彼此之间有轻微的延迟，这样第一个脉冲就可以刺激样本，或者“踢”样本，而第二个脉冲以25飞秒的时间分辨率捕捉样本的反应。通过这种方式，他们能够创造出超快的“电影”，由此可以推断出材料中不同粒子之间的相互作用。

特别是，他们测量了样品反射的光的精确量，作为两个脉冲之间时间的函数。如果存在混合粒子，这种反射应以某种方式改变。当样品冷却到150 K以下时，材料就变成了反铁磁的。埃姆雷·厄格森（Emre Ergeçen）说:“我们发现这种混合粒子只有在一定温度下才可见，也就是当磁力被打开的时候。”

为了识别混合粒子的具体成分,研究团队改变第一个激光的颜色,也就是改变其频率,发现混合粒子可见时，反射光的频率大约是一种特殊类型的跃迁，即当一个电子在两个d轨道之间移动时，这种跃迁就会发生。他们还观察了反射光光谱中可见的周期图案的间隔，发现它与一种特定类型的声子的能量相匹配。这说明杂化粒子由d轨道电子的激发和这种特定的声子组成。

他们在测量的基础上做了进一步的建模，发现电子与声子的结合力比其他已知的电子-声子杂化力强大约10倍。

合作者巴特尔·伊利亚斯（Batyr Ilyas）说：“利用这种混合粒子的一种潜在方法是，它可以让你耦合到其中一个组件，并间接调整另一个组件。这样，你就可以改变材料的性质，比如系统的磁性状态。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

In van der Waals (vdW) materials, strong coupling between different degrees of freedom can hybridize elementary excitations into bound states with mixed character^1,2,3. Correctly identifying the nature and composition of these bound states is key to understanding their ground state properties and excitation spectra^4,5. Here, we use ultrafast spectroscopy to reveal bound states of d-orbitals and phonons in 2D vdW antiferromagnet NiPS₃. These bound states manifest themselves through equally spaced phonon replicas in frequency domain. These states are optically dark above the Néel temperature and become accessible with magnetic order. By launching this phonon and spectrally tracking its amplitude, we establish the electronic origin of bound states as localized d–d excitations. Our data directly yield electron-phonon coupling strength which exceeds the highest known value in 2D systems⁶. These results demonstrate NiPS₃ as a platform to study strong interactions between spins, orbitals and lattice, and open pathways to coherent control of 2D magnets.