Открыты экзотические квазичастицы в основе природы магнетизма: у них нет заряда, но есть спин

Физики из Массачусетского технологического института (MIT) открыли новые свойства экзотических частиц, которые могут быть ключом к пониманию магнетизма сверхтонких материалов толщиной всего в несколько атомных слоёв. Открытие, способное повлиять на будущую электронику и многое другое, сделано с помощью мощного источника синхротронного излучения NSLS-II в Брукхейвенской национальной лаборатории. Результаты исследования опубликованы в Physical Review X.

На ускорителе просвечивались сверхтонкие образцы ферромагнетиков.

"По сути, мы разработали новое направление исследований в области изучения этих магнитных двумерных материалов, которое во многом опирается на передовой спектроскопический метод — резонансное неупругое рассеяние рентгеновских лучей (RIXS), доступный в Брукхейвенской национальной лаборатории", — говорит руководивший экспериментами Риккардо Комин, доцент с кафедры физики MIT.

Исследуемые образцы состоят из слоёв атомов никеля, заключённых между слоями атомов хлора, брома или йода. Несмотря на такую обманчиво простую структуру, им присущи разнообразные магнитные свойства.

Особенный интерес исследователей вызвали экситоны — квазичастицы, состоящие из электрона и дырки (места, откуда он "выпрыгнул"). Они возникают, например, при облучении полупроводника светом. У этих частиц нет заряда, но есть спин.

"Мы смогли измерить и определить энергию, необходимую для образования экситонов в трёх различных галогенидах никеля путем химической "настройки" — замены атома галогенида с хлора на бром и йод. Это один из важных шагов к пониманию того, как фотоны — свет — могут быть однажды использованы для взаимодействия с магнитным состоянием этих материалов или для его мониторинга", — объясняет аспирант MIT по физике Коннор Оккиалини.

По его словам, экситоны возникают на атомах никеля, но не остаются "привязанными" к ним — вместо этого "они могут эффективно перескакивать между участками по всему кристаллу". "Это наблюдение перескока является первым для этих типов экситонов и открывает путь к пониманию их взаимодействия с магнитными свойствами материала", — заключил учёный.

Работа поможет в создании новых материалов для квантовых вычислений и высокочувствительных датчиков.

Фото: MIT/Comin Laboratory (CC BY-SA 3.0)