Les physiciens du MIT détectent une étrange particule hybride maintenue par une “colle” d’une intensité unique.

Les physiciens du MIT ont détecté une particule hybride dans un matériau magnétique bidimensionnel inhabituel. La particule hybride est un mélange d’un électron et d’un phonon. Crédit : Christine Daniloff, MIT

Cette découverte pourrait ouvrir la voie à des dispositifs électroniques plus petits et plus rapides.

Dans le monde des particules, parfois deux valent mieux qu’un. Prenez, par exemple, les paires d’électrons. Lorsque deux électrons sont liés l’un à l’autre, ils peuvent glisser dans un matériau sans frottement, conférant à ce dernier des propriétés supraconductrices particulières. Ces paires d’électrons, ou paires de Cooper, sont une sorte de particule hybride – un composite de deux particules qui se comporte comme une seule, avec des propriétés qui sont supérieures à la somme de ses parties.

Maintenant MIT des physiciens ont détecté un autre type de particule hybride dans un matériau magnétique bidimensionnel inhabituel. Ils ont déterminé que la particule hybride est un mélange d’un électron et d’un phonon (une quasi-particule produite par les atomes vibrants d’un matériau). Lorsqu’ils ont mesuré la force entre l’électron et le phonon, ils ont constaté que la colle, ou lien, était 10 fois plus forte que tout autre hybride électron-phonon connu à ce jour.

La liaison exceptionnelle de la particule suggère que son électron et son phonon pourraient être accordés en tandem ; par exemple, toute modification de l’électron devrait affecter le phonon, et vice versa. En principe, une excitation électronique, telle qu’une tension ou de la lumière, appliquée à la particule hybride pourrait stimuler l’électron comme il le ferait normalement, et également affecter le phonon, qui influence les propriétés structurelles ou magnétiques d’un matériau. Ce double contrôle pourrait permettre aux scientifiques d’appliquer une tension ou de la lumière à un matériau afin de régler non seulement ses propriétés électriques mais aussi son magnétisme.

Une impression d’artiste des électrons localisés dans les orbites d interagissant fortement avec les ondes de vibration du réseau (phonons). La structure lobulaire représente le nuage électronique des ions nickel dans NiPS3, également connu sous le nom d’orbitales. Les ondes émanant de la structure orbitale représentent les oscillations des phonons. Les bandes rougeoyantes indiquent la formation d’un état lié entre les électrons et les vibrations du réseau. Crédit : Emre Ergecen

Les résultats sont particulièrement pertinents, car l’équipe a identifié la particule hybride dans le trisulfure de phosphore et de nickel (NiPS₃), un matériau bidimensionnel qui a suscité un intérêt récent pour ses propriétés magnétiques. Si ces propriétés pouvaient être manipulées, par exemple par le biais des particules hybrides récemment détectées, les scientifiques pensent que le matériau pourrait un jour être utilisé comme un nouveau type de semi-conducteur magnétique, qui pourrait être utilisé dans des appareils électroniques plus petits, plus rapides et plus économes en énergie.

“Imaginez que nous puissions stimuler un électron et que le magnétisme réagisse”, déclare Nuh Gedik, professeur de physique au MIT. “On pourrait alors fabriquer des appareils très différents de la façon dont ils fonctionnent aujourd’hui”.

Gedik et ses collègues ont publié leurs résultats le 10 janvier 2022 dans la revue. Nature Communications. Ses co-auteurs sont Emre Ergeçen, Batyr Ilyas, Dan Mao, Hoi Chun Po, Mehmet Burak Yilmaz et Senthil Todadri du MIT, ainsi que Junghyun Kim et Je-Geun Park de l’université nationale de Séoul en Corée.

Feuilles de particules

Le domaine de la physique moderne de la matière condensée est axé, en partie, sur la recherche d’interactions dans la matière à l’échelle nanométrique. Ces interactions, entre les atomes, les électrons et les autres particules subatomiques d’un matériau, peuvent conduire à des résultats surprenants, tels que la supraconductivité et d’autres phénomènes exotiques. Les physiciens recherchent ces interactions en condensant des produits chimiques sur des surfaces pour synthétiser des feuilles de matériaux bidimensionnels, qui pourraient être aussi fines qu’une couche atomique.

En 2018, un groupe de recherche coréen a découvert des interactions inattendues dans les feuilles de NiPS synthétisées.₃, un matériau bidimensionnel qui devient un antiferromagnétique à des températures très basses d’environ 150 kelvins, soit -123 degrés. Celsius. La microstructure d’un antiferromagnétique ressemble à un réseau en nid d’abeille d’atomes dont les spins sont opposés à ceux de leurs voisins. En revanche, un matériau ferromagnétique est constitué d’atomes dont les spins sont alignés dans la même direction.

En sondant les NiPS₃ce groupe a découvert qu’une excitation exotique devenait visible lorsque le matériau était refroidi en dessous de sa transition antiferromagnétique, bien que la nature exacte des interactions responsables de ce phénomène ne soit pas claire. Un autre groupe a trouvé des signes deune particule hybride, mais ses constituants exacts et sa relation avec cette excitation exotique n’étaient pas clairs non plus.

Gedik et ses collègues se sont demandés s’ils ne pourraient pas détecter la particule hybride et démêler les deux particules qui composent l’ensemble, en capturant leurs mouvements caractéristiques avec un laser ultra-rapide.

Magnétiquement visible

Normalement, le mouvement des électrons et des autres particules subatomiques est trop rapide pour être filmé, même avec la caméra la plus rapide du monde. Selon M. Gedik, le défi est similaire à celui de prendre la photo d’une personne en train de courir. L’image obtenue est floue parce que l’obturateur de l’appareil, qui laisse passer la lumière pour capturer l’image, n’est pas assez rapide et que la personne court toujours dans le cadre avant que l’obturateur ne puisse prendre une photo nette.

Pour contourner ce problème, l’équipe a utilisé un laser ultrarapide qui émet des impulsions lumineuses d’une durée de 25 femtosecondes seulement (une femtoseconde correspond à un millionième de milliardième de seconde). Ils ont divisé l’impulsion laser en deux impulsions distinctes et les ont dirigées vers un échantillon de NiPS₃. Les deux impulsions ont été placées avec un léger décalage l’une par rapport à l’autre de sorte que la première stimule l’échantillon, tandis que la seconde capture la réponse de l’échantillon, avec une résolution temporelle de 25 femtosecondes. De cette façon, ils ont pu créer des “films” ultrarapides à partir desquels les interactions des différentes particules au sein du matériau ont pu être déduites.

En particulier, ils ont mesuré la quantité précise de lumière réfléchie par l’échantillon en fonction du temps entre les deux impulsions. Cette réflexion devrait changer d’une certaine manière si des particules hybrides sont présentes. Cela s’est avéré être le cas lorsque l’échantillon a été refroidi en dessous de 150 kelvins, lorsque le matériau devient antiferromagnétique.

“Nous avons découvert que cette particule hybride n’était visible qu’en dessous d’une certaine température, lorsque le magnétisme est activé”, explique Ergeçen.

Pour identifier les constituants spécifiques de la particule, l’équipe a fait varier la couleur, ou la fréquence, du premier laser et a constaté que la particule hybride était visible lorsque la fréquence de la lumière réfléchie se situait autour d’un type particulier de transition connu pour se produire lorsqu’un électron se déplace entre deux orbites d. Ils ont également examiné l’espacement du motif périodique visible dans le spectre de la lumière réfléchie et ont constaté qu’il correspondait à l’énergie d’un type spécifique de phonon. Cela a permis de clarifier que la particule hybride est constituée d’excitations d’électrons de l’orbite d et de ce phonon spécifique.

Ils ont effectué d’autres modélisations basées sur leurs mesures et ont découvert que la force liant l’électron au phonon est environ 10 fois plus forte que ce qui a été estimé pour d’autres hybrides électron-phonon connus.

“L’un des moyens potentiels d’exploiter cette particule hybride est de la coupler à l’un des composants et de régler indirectement l’autre”, explique Ilyas. “De cette façon, vous pourriez changer les propriétés d’un matériau, comme l’état magnétique du système”.

Référence : “Magnetically brightened dark electron-phonon bound states in a van der Waals antiferromagnetic” par Emre Ergeçen, Batyr Ilyas, Dan Mao, Hoi Chun Po, Mehmet Burak Yilmaz, Junghyun Kim, Je-Geun Park, T. Senthil et Nuh Gedik, 10 janvier 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-021-27741-3

Cette recherche a été soutenue, en partie, par le ministère de l’Énergie des États-Unis et la Fondation Gordon et Betty Moore.