En el mundo de las partículas, a veces dos es mejor que uno. Tomemos, por ejemplo, los pares de electrones. Cuando dos electrones están unidos, pueden deslizarse a través de un material sin fricción, dándole al material propiedades superconductoras especiales. Estos pares de electrones, o pares de Cooper, son una especie de partícula híbrida, un compuesto de dos partículas que se comportan como una sola, con propiedades que son mayores que 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 los 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 podrían estar sintonizados en tándem; por ejemplo, cualquier cambio en el electrón debería afectar al fonón y viceversa. En principio, una excitación electrónica, como voltaje o luz, aplicada a la partícula híbrida podría estimular el electrón como lo haría normalmente y también afectar al fonón, que influye en las propiedades estructurales o magnéticas de un material. Tal 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 la partícula híbrida en el trisulfuro de fósforo y níquel (NiPS3), un material bidimensional que ha despertado interés recientemente por sus propiedades magnéticas. Si estas propiedades pudieran manipularse, por ejemplo, a través de las partículas híbridas recién detectadas, los científicos creen que el material algún día podría ser útil como un nuevo tipo de semiconductor magnético, que podría convertirse en dispositivos electrónicos más pequeños, más rápidos y más eficientes energéticamente.
«Imagínese si pudiéramos estimular un electrón y hacer que respondiera el magnetismo», dice Nuh Gedik, profesor de física en el MIT. «Entonces podrías hacer dispositivos muy diferentes de cómo funcionan hoy».
Gedik y sus colegas han publicado hoy sus resultados 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 los átomos, electrones y otras partículas subatómicas de un material, pueden conducir 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 podrían hacerse 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 alrededor de 150 Kelvin, o -123 grados Celsius. 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 formado por átomos con espines alineados en la misma dirección.
Al sondear NiPS3, ese grupo descubrió que una 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 tampoco estaban claros sus componentes exactos y su relación con esta excitación exótica.
Gedik y sus colegas se preguntaron si podrían detectar la partícula híbrida y descifrar las dos partículas que forman el todo al captar sus movimientos característicos con un láser súper rápido.
Magnéticamente visible
Normalmente, 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 clara.
Para solucionar este problema, el equipo utilizó un láser ultrarrápido que emite pulsos de luz que duran solo 25 femtosegundos (un femtosegundo es 1 millonésima de 1 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 configuraron con un ligero retraso entre sí, de modo que el primero estimuló o «pateó» la muestra, mientras que el segundo capturó la respuesta de la muestra, con una resolución de tiempo 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. Esta reflexión debería cambiar de cierta manera si hay presentes partículas híbridas. 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 el magnetismo está activado», dice Ergeçen.
Para identificar los constituyentes específicos de la partícula, el equipo varió el color o la frecuencia del primer láser y descubrió 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 entre dos orbitales d. También observaron el espaciado del patrón periódico visible dentro del espectro de luz reflejada y encontraron que coincidía con la energía de un tipo específico de fonón. Esto aclaró que la partícula híbrida consiste en excitaciones de electrones del orbital d y este fonón específico.
Hicieron un modelado adicional basado en sus mediciones y encontraron que la fuerza que une el electrón con el 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 que podría permitirle acoplarse a uno de los componentes y sintonizar indirectamente el otro», dice Ilyas. «De esa manera, podrías cambiar las propiedades de un material, como el estado magnético del sistema».
Esta investigación fue financiada, en parte, por el Departamento de Energía de EE. UU. y la Fundación Gordon y Betty Moore.
