Physiker berichten über neue Erkenntnisse zu exotischen Teilchen, die für den Magnetismus von entscheidender Bedeutung sind

Physiker und Kollegen vom MIT berichten über neue Erkenntnisse zu exotischen Teilchen, die für eine Form des Magnetismus von entscheidender Bedeutung sind. Diese Form des Magnetismus stößt auf wachsendes Interesse, da sie aus ultradünnen Materialien stammt, die nur wenige Atomschichten dick sind. Die Arbeit, die Auswirkungen auf die Elektronik der Zukunft und mehr haben könnte, eröffnet außerdem eine neue Möglichkeit, diese Teilchen mithilfe eines leistungsstarken Instruments an der National Synchrotron Light Source II am Brookhaven National Laboratory zu untersuchen.

Zu den Entdeckungen des Teams gehört die Identifizierung des mikroskopischen Ursprungs dieser als Exzitonen bezeichneten Partikel. Sie zeigten, wie sie durch chemisches „Tuning“ des hauptsächlich aus Nickel bestehenden Materials gesteuert werden können. Darüber hinaus stellten sie fest, dass sich die Exzitonen im gesamten Material ausbreiten, statt an die Nickelatome gebunden zu sein.

Schließlich bewiesen sie, dass der Mechanismus, der diesen Entdeckungen zugrunde liegt, bei ähnlichen Materialien auf Nickelbasis allgegenwärtig ist, was die Tür für die Identifizierung – und Kontrolle – neuer Materialien mit besonderen elektronischen und magnetischen Eigenschaften öffnet.

Die Open-Access-Ergebnisse werden in der Ausgabe vom 12. Juli von Körperliche Überprüfung X.

„Wir haben im Wesentlichen eine neue Forschungsrichtung in der Untersuchung dieser magnetischen zweidimensionalen Materialien entwickelt, die in hohem Maße auf einer fortschrittlichen spektroskopischen Methode, der resonanten inelastischen Röntgenstreuung (RIXS), beruht, die am Brookhaven National Lab verfügbar ist“, sagt Riccardo Comin, außerordentlicher Professor für Physik im Bereich Karriereentwicklung des Jahrgangs 1947 am MIT und Leiter der Arbeit.

Ultradünne Schichten

Die magnetischen Materialien, die im Mittelpunkt der aktuellen Arbeit stehen, sind als Nickeldihalogenide bekannt. Sie bestehen aus Schichten von Nickelatomen, die zwischen Schichten von Halogenatomen eingebettet sind (Halogene sind eine Elementfamilie), die in atomar dünne Schichten isoliert werden können. In diesem Fall untersuchten die Physiker die elektronischen Eigenschaften von drei verschiedenen Materialien, die aus Nickel und den Halogenen Chlor, Brom oder Jod bestehen. Trotz ihrer täuschend einfachen Struktur weisen diese Materialien eine große Vielfalt magnetischer Phänomene auf.

Das Team interessierte sich dafür, wie die magnetischen Eigenschaften dieser Materialien reagieren, wenn sie Licht ausgesetzt werden. Sie interessierten sich insbesondere für bestimmte Teilchen – die Exzitonen – und wie diese mit dem zugrunde liegenden Magnetismus zusammenhängen. Wie genau bilden sie sich? Können sie kontrolliert werden?

Geben Sie Exzitonen ein

Ein festes Material besteht aus verschiedenen Arten von Elementarteilchen, wie Protonen und Elektronen. In solchen Materialien sind auch „Quasiteilchen“ allgegenwärtig, die der Öffentlichkeit weniger bekannt sind. Dazu gehören Exzitonen, die aus einem Elektron und einem „Loch“ bestehen, oder der Raum, der entsteht, wenn Licht auf ein Material fällt und die Energie eines Photons dazu führt, dass ein Elektron aus seiner üblichen Position springt.

Durch die Geheimnisse der Quantenmechanik sind Elektron und Loch jedoch immer noch verbunden und können durch elektrostatische Wechselwirkungen miteinander „kommunizieren“. Diese Wechselwirkung führt zu einem neuen zusammengesetzten Teilchen, das aus Elektron und Loch besteht – einem Exziton.

Exzitonen sind im Gegensatz zu Elektronen ladungslos, besitzen aber einen Spin. Man kann sich den Spin als Elementarmagneten vorstellen, in dem die Elektronen wie kleine Nadeln sind, die sich in eine bestimmte Richtung ausrichten. In einem gewöhnlichen Kühlschrankmagneten zeigen alle Spins in die gleiche Richtung. Generell können sich die Spins in anderen Mustern anordnen, was zu unterschiedlichen Arten von Magneten führt. Der einzigartige Magnetismus der Nickeldihalogenide ist eine dieser weniger konventionellen Formen, was ihn für die Grundlagen- und angewandte Forschung attraktiv macht.

Das MIT-Team untersuchte, wie sich Exzitonen in den Nickeldihalogeniden bilden. Genauer gesagt ermittelten sie die genauen Energien oder Wellenlängen des Lichts, die für ihre Entstehung in den drei untersuchten Materialien erforderlich sind.

„Wir konnten die Energie messen und bestimmen, die zur Bildung der Exzitonen in drei verschiedenen Nickelhalogeniden erforderlich ist, indem wir das Halogenidatom chemisch von Chlor über Brom zu Jod ‚abgestimmt‘ oder verändert haben“, sagt Occhialini. „Dies ist ein wesentlicher Schritt zum Verständnis, wie Photonen – Licht – eines Tages verwendet werden könnten, um mit diesen Materialien zu interagieren oder ihren magnetischen Zustand zu überwachen.“ Zu den möglichen Anwendungen zählen Quantencomputer und neuartige Sensoren.

Die Arbeit könnte auch dabei helfen, neue Materialien mit Exzitonen vorherzusagen, die möglicherweise andere interessante Eigenschaften haben. Obwohl die untersuchten Exzitonen von den Nickelatomen stammen, stellte das Team außerdem fest, dass sie nicht an diesen Atomplätzen lokalisiert bleiben. Stattdessen „haben wir gezeigt, dass sie effektiv zwischen den Plätzen im gesamten Kristall springen können“, sagt Occhialini. „Diese Beobachtung des Springens ist die erste für diese Art von Exzitonen und bietet einen Einblick in ihr Zusammenspiel mit den magnetischen Eigenschaften des Materials.“

Ein besonderes Instrument

Der Schlüssel zu dieser Arbeit – insbesondere zur Beobachtung des Exzitonen-Hoppings – ist die resonante inelastische Röntgenstreuung (RIXS), eine experimentelle Technik, die die Co-Autoren Pelliciari und Bisogni mitentwickelt haben. Nur wenige Einrichtungen auf der Welt verfügen über hochentwickelte RIXS-Instrumente mit hoher Energieauflösung. Eine davon befindet sich in Brookhaven. Pelliciari und Bisogni sind Teil des Teams, das die RIXS-Einrichtung in Brookhaven betreibt. Occhialini wird dem Team dort als Postdoc beitreten, nachdem er seinen Doktortitel am MIT erhalten hat.

Dank seiner besonderen Empfindlichkeit gegenüber den Exzitonen der Nickelatome konnte das Team mit RIXS „die Grundlage für einen allgemeinen Rahmen für Nickeldihalogenidsysteme legen“, sagt Pelliciari. „Damit konnten wir die Ausbreitung der Exzitonen direkt messen.“

Zu Comins Kollegen an der Arbeit gehören Connor A. Occhialini, ein Physikstudent am MIT, und Yi Tseng, ein ehemaliger MIT-Postdoc, jetzt am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY). Die beiden sind Co-Erstautoren der Körperliche Überprüfung X Papier. Weitere Autoren sind Hebatalla Elnaggar von der Sorbonne; Qian Song, ein Doktorand im Fachbereich Physik des MIT; Mark Blei und Seth Ariel Tongay von der Arizona State University; Frank MF de Groot von der Universität Utrecht; und Valentina Bisogni und Jonathan Pelliciari vom Brookhaven National Laboratory.