En el mundo de las partículas, a veces dos es mejor que uno. Tomemos, por ejemplo, los pares de electrones. Cuando dos electrones están enlazados, pueden deslizarse a través de un material sin fricción, dándole al material propiedades superconductoras especiales. Estos pares de electrones, o pares de Cooper, son un tipo de partícula híbrida, un compuesto de dos partículas que se comportan como una sola, con propiedades superiores a la suma de sus partes.

Ahora, los físicos del MIT han detectado otro tipo de partícula híbrida en un material magnético bidimensional inusual. Determinaron que la partícula híbrida es una combinación de un electrón y un fonón (una cuasipartícula que se produce a partir de átomos en vibración de un material). Cuando midieron la fuerza entre el electrón y el fonón, encontraron que el pegamento, o enlace, era 10 veces más fuerte que cualquier otro híbrido electrón-fonón conocido hasta la fecha.

El enlace excepcional de la partícula sugiere que su electrón y fonón pueden sintonizarse juntos; por ejemplo, cualquier cambio en el electrón debe afectar al fonón y viceversa. En principio, una excitación electrónica, como voltaje o luz, aplicada a la partícula híbrida podría estimular al electrón como lo haría normalmente, y también afectar al fonón, que influye en las propiedades estructurales o magnéticas de un material. Este control dual podría permitir a los científicos aplicar voltaje o luz a un material para ajustar no solo sus propiedades eléctricas sino también su magnetismo.

Los resultados son especialmente relevantes ya que el equipo identificó el trisulfuro de níquel-fósforo (NiPS₃), un material bidimensional que ha despertado interés recientemente debido a sus propiedades magnéticas. Se essas propriedades pudessem ser manipuladas, por exemplo, através das partículas híbridas recém-detectadas, os cientistas acreditam que o material poderia um dia ser útil como um novo tipo de semicondutor magnético, que poderia ser transformado em eletrônicos menores, mais rápidos e com maior eficiencia energetica.

“Imagínese si pudiéramos estimular un electrón y hacer que el magnetismo responda”, dice Nuh Gedik, profesor de física en el MIT. «Entonces podrías hacer dispositivos muy diferentes de cómo funcionan hoy».

Gedik y sus colegas publicaron sus resultados hoy en la revista Comunicaciones de la naturaleza. Sus coautores incluyen a Emre Ergeçen, Batyr Ilyas, Dan Mao, Hoi Chun Po, Mehmet Burak Yilmaz y Senthil Todadri en el MIT, junto con Junghyun Kim y Je-Geun Park de la Universidad Nacional de Seúl en Corea.

hojas de partículas

El campo de la física moderna de la materia condensada se centra, en parte, en la búsqueda de interacciones en la materia a nanoescala. Tales interacciones, entre átomos de un material, electrones y otros partículas subatómicas, puede dar lugar a resultados sorprendentes como la superconductividad y otros fenómenos exóticos. Los físicos buscan estas interacciones condensando sustancias químicas en superficies para sintetizar láminas de materiales bidimensionales, que pueden ser tan delgadas como una capa atómica.

En 2018, un grupo de investigación en Corea descubrió algunas interacciones inesperadas en hojas sintetizadas de NiPS.₃, un material bidimensional que se convierte en un antiferromagnético a temperaturas muy bajas de unos 150 kelvin, o -123 grados centígrados. La microestructura de un antiferromagnético se asemeja a una red de átomos en forma de panal cuyos espines son opuestos a los de su vecino. Por el contrario, un material ferromagnético está compuesto de átomos con espines alineados en la misma dirección.

En la encuesta NiPS₃, este grupo descubrió que la excitación exótica se hacía visible cuando el material se enfriaba por debajo de su transición antiferromagnética, aunque la naturaleza exacta de las interacciones responsables de esto no estaba clara. Otro grupo encontró signos de una partícula híbrida, pero sus constituyentes exactos y su relación con esta excitación exótica tampoco estaban claros.

Gedik y sus colegas se preguntaron si podrían detectar la partícula híbrida y extraer las dos partículas que forman el todo, capturando sus movimientos característicos con un láser súper rápido.

Impresión artística de electrones ubicados en orbitales d que interactúan fuertemente con ondas de vibración de red (fonones). La estructura lobular representa la nube de electrones de iones de níquel en NiPS₃, también conocidos como orbitales. Las ondas que emanan de la estructura orbital representan oscilaciones de fonones. Las rayas rojas brillantes indican la formación de un estado ligado entre los electrones y las vibraciones de la red. Crédito: Emre Ergecen

magnéticamente visible

Por lo general, el movimiento de los electrones y otras partículas subatómicas es demasiado rápido para obtener una imagen, incluso con la cámara más rápida del mundo. El desafío, dice Gedik, es similar a tomar una foto de una persona corriendo. La imagen resultante es borrosa porque el obturador de la cámara, que deja pasar la luz para capturar la imagen, no es lo suficientemente rápido y la persona todavía está corriendo en el marco antes de que el obturador pueda tomar una imagen nítida.

Para sortear este problema, el equipo usó un láser ultrarrápido que emite pulsos de luz durando sólo 25 femtosegundos (un femtosegundo es 1 millonésima de una billonésima de segundo). Dividieron el pulso del láser en dos pulsos separados y los dirigieron a una muestra de NiPS.₃. Los dos pulsos se ajustaron con un ligero retraso entre sí, de modo que el primero pulsaba o «pateaba» la muestra, mientras que el segundo capturaba la respuesta de la muestra, con una resolución temporal de 25 femtosegundos. De esta forma, pudieron crear «películas» ultrarrápidas a partir de las cuales se podían deducir las interacciones de diferentes partículas dentro del material.

En particular, midieron la cantidad precisa de luz reflejada por la muestra en función del tiempo entre los dos pulsos. Este reflejo debería cambiar un poco si hay partículas híbridas presentes. Este resultó ser el caso cuando la muestra se enfrió por debajo de 150 Kelvin, cuando el material se vuelve antiferromagnético.

“Descubrimos que esta partícula híbrida solo era visible por debajo de cierta temperatura, cuando se activa el magnetismo”, dice Ergeçen.

Para identificar los constituyentes específicos de la partícula, el equipo varió el color o la frecuencia del primer láser y encontró que la partícula híbrida era visible cuando la frecuencia de la luz reflejada estaba alrededor de un tipo particular de transición que se sabe que ocurre cuando un electrón se mueve hacia arriba entre dos orbitales d. También observaron el espaciado del patrón periódico visible dentro del espectro de la luz reflejada y descubrieron que correspondía a la energía de un tipo específico de fonón. Esto aclaró que la partícula híbrida consta de emociones de electrones en el orbital de este fonón específico.

Hicieron un modelado adicional basado en sus mediciones y descubrieron que la fuerza que une el electrón al fonón es aproximadamente 10 veces más fuerte que lo que se ha estimado para otros híbridos electrón-fonón conocidos.

“Una forma potencial de aprovechar esta partícula híbrida es permitirle acoplar uno de los componentes y sintonizar indirectamente el otro”, dice Ilyas. «De esta manera, puedes cambiar las propiedades de un material, como el estado magnético del sistema».