Een hybride deeltje van een elektron en een fonon, waarmee magnetisme regelbaar lijkt te zijn geworden (afb: MIT)

Natuurkundigen van het MIT in Cambridge (VS) hebben een hybride deeltje ontdekt dat een hecht ‘huwelijk’ blijkt te zijn tussen een elektron en een fonon (in feite een trilling, maar gezien als quasideeltje). Dan wordt er onmiddellijk gedacht aan al mooie dingen die je daarmee kunt doen zoals de het veranderen van magnetische en elektrische eigenschappen met behulp van spanning of licht.
De wereld van de deeltjes is voor mij een steeds verder verkrummelende wereld. Ooit hadden de Grieken bedacht dat er atomen moesten zijn, maar kleiner was er niet (‘atoom’ zou afgeleid zijn van het Griekse ‘ondeelbaar’). Later bleken atomen te bestaan uit elektronen die cirkelden rond kernen die bestaat uit protonen en neutronen. Dat bleken ook geen elementaire deeltjes te zijn (tot nu alleen het elektron is daarvan lelementair=ondeelbaar) enzovoort.
In die rare deeltjeswereld schijnt samenwerking te lonen. Neem nu eens elektronenparen. Die kunnen samen door materialen wandelen zonder wrijving te ondervinden (supergeleiding) terwijl een elektron apart daar moeite mee heeft (weerstand). Zo’n Cooperpaar heet dan een hybride deeltje dat eigenschappen heeft die elk deeltje afzonderlijk niet heeft.
Nu hebben de onderzoekers een hybride deeltje ontdekt in tweedimensionaal magnetisch materiaal. Het hybride deeltje is, zoals al verklapt, een ‘huwelijk’ tussen een fonon en een elektron. Een fonon is, zoals ook al gezegd, een quasideeltje dat wordt gevormd door trillingen van atomen in een materiaal. Ze maten de binding tussen het stel en constateerden dat die tien keer sterker was dan ooit eerder gemeten tussen elektronen en fononen.

Dat doet veronderstellen dat dat tweetal ook gezamenlijk is te sturen: wat effect heeft op het elektron moet ook effect hebben op het fonon en omgekeerd. In feite zou door het aanslaan van het elektron met behulp van licht of spanning ook effect op het fonon hebben en dat beïnvloedt de eigenschappen van het materiaal, zoals de magnetische. Zo zou je niet alleen de elektrische maar ook magnetische eigenschappen van een materiaal kunnen sturen.

Magnetische halfgeleider

Het foton/elektrondeeltje werd gezien in nikkelfosfortrisulfie (NiPS₃), een tweedimensioneel materiaal (met de dikte van een atoom). Dat staat in de belangstelling vanwege zijn magnetische eigenschappen. Als die eigenschappen manipuleerbaar blijken te zijn dan zou, bijvoorbeeld, een magnetische halfgeleider kunnen worden gemaakt, die sneller, kleiner en zuiniger is dan de hedendaagse halfgeleiders.
“Stel je voor dat we een elektron zouden kunnen stimuleren met een verandering van het magnetisme als reactie”, zegt Nuh Gedik. “Dan kun je heel andere dingen maken dan we nu kunnen.”

In 2018 ontdekte een groep Koreaanse onderzoekers vreemde effecten in een velletjes NiPS₃. Dat wordt antiferromagnetisch (niet magnetisch) bij -123°C (150 K). De microstructuur van een antiferromagneet lijkt op het patroon van honingraten, waar de spin van een atoom tegengesteld is ten opzichte van hun buur waardoor het materiaal per saldo niet magnetisch is. De onderzoekers namen ook een bijzondere excitatie waar als het materiaal beneden het omslagpunt werd gekoeld. Andere onderzoekers vonden een hybride deeltje, maar hoe dat precies in elkaar stak zat wisten ze nog niet.
Daar zijn Gedik c.s. nu achtergekomen met behulp van een uiterst snelle laser (we praten dan over femtoseconden; femto is 10^-15). Daarmee waren ze in staat ‘filmpjes’ te maken, waaruit de wisselwerkingen van de verschillende deeltjes in het materiaal konden worden afgeleid. Ook ontdekten ze dat het hybride deeltje uit een fonon en een elektron moest bestaan.

Bron: Science Daily