物理学家报告了对磁性关键奇异粒子的新见解

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　　麻省理工学院的物理学家和同事报告了对奇异粒子的新见解，这种粒子是磁性形式的关键，这种磁性形式引起了越来越多的关注，因为它源自厚度只有几个原子层的超薄材料。这项研究可能会影响未来的电子产品等，它还建立了一种新方法，通过布鲁克海文国家实验室的国家同步加速器光源 II 上的强大仪器来研究这些粒子。
　　研究小组的发现之一是，这些粒子被称为激子，其微观起源已得到确认。他们展示了如何通过化学“调节”主要由镍组成的材料来控制激子。此外，他们还发现激子会在整个块体材料中传播，而不是与镍原子结合。
　　最后，他们证明了这些发现背后的机制在类似的镍基材料中普遍存在，为识别和控制具有特殊电子和磁性的新材料打开了大门。
　　该开放获取结果发表于 7 月 12 日的《物理评论 X》杂志上。
　　麻省理工学院 1947 届职业发展副教授、物理学家兼该项研究的负责人 Riccardo Comin 表示：“我们基本上在这些磁性二维材料的研究上开辟了一个新的方向，它很大程度上依赖于一种先进的光谱方法，即布鲁克海文国家实验室提供的共振非弹性 X 射线散射 (RIXS)。”
　　超薄层
　　当前研究的核心磁性材料是镍二卤化物。它们由夹在卤素原子层之间的镍原子层组成（卤素是元素的一个家族），这些卤素原子可以分离成原子薄层。在这种情况下，物理学家研究了由镍和卤素氯、溴或碘组成的三种不同材料的电子特性。尽管这些材料的结构看似简单，但却具有丰富多样的磁现象。
　　研究团队对这些材料的磁性在光照下会如何反应很感兴趣。他们特别感兴趣的是特定粒子——激子——以及它们与潜在磁性的关系。它们究竟是如何形成的？它们能被控制吗？
　　输入激子
　　固体材料由不同类型的基本粒子组成，例如质子和电子。这些材料中还普遍存在公众不太熟悉的“准粒子”。其中包括激子，它由电子和“空穴”组成，空穴是光照射到材料上时留下的空间，光子的能量使电子跳出其正常位置。
　　然而，通过量子力学的奥秘，电子和空穴仍然相连，可以通过静电相互作用相互“交流”。这种相互作用导致电子和空穴形成一种新的复合粒子——激子。
　　与电子不同，激子不带电荷，但具有自旋。自旋可以被认为是一种基本磁体，其中的电子就像以某种方式定向的小针。在普通的冰箱磁铁中，所有自旋都指向同一方向。一般来说，自旋可以以其他模式排列，从而形成不同类型的磁铁。镍二卤化物所具有的独特磁性是这些不太常见的形式之一，因此对基础研究和应用研究都具有吸引力。
　　麻省理工学院的研究小组探索了镍二卤化物中激子的形成方式。更具体地说，他们确定了在所研究的三种材料中产生激子所需的确切光能或波长。
　　“我们能够通过化学‘调整’或改变卤素原子，从氯变为溴再变为碘，从而测量和识别在三种不同的镍卤化物中形成激子所需的能量，”Occhialini 说。“这是了解光子（光）未来如何用于与这些材料相互作用或监测其磁状态的重要一步。”最终的应用包括量子计算和新型传感器。
　　这项研究还有助于预测可能具有其他有趣特性的激子新材料。此外，尽管所研究的激子起源于镍原子，但研究小组发现它们并不局限于这些原子位置。相反，“我们表明它们可以在整个晶体中有效地在各个位置之间跳跃，”Occhialini 说。“这种跳跃的观察是首次观察到此类激子，为了解它们与材料磁性的相互作用提供了一个窗口。”
　　一种特殊的仪器
　　这项工作的关键（尤其是观察激子跳跃）是共振非弹性 X 射线散射 (RIXS)，这是一项实验技术，由共同作者 Pelliciari 和 Bisogni 帮助开创。世界上只有少数几家机构拥有先进的高能量分辨率 RIXS 仪器。其中一家位于布鲁克海文。Pelliciari 和 Bisogni 是布鲁克海文 RIXS 设施运营团队的成员。Occhialini 在获得麻省理工学院博士学位后将以博士后身份加入该团队。
　　RIXS 对镍原子的激子具有特殊的敏感性，这使得研究小组能够“为镍二卤化物系统的一般框架奠定基础”，Pelliciari 说。“它使我们能够直接测量激子的传播。”
　　Comin 的同事包括麻省理工学院物理学研究生 Connor A. Occhialini 和最近在麻省理工学院担任博士后、现就职于德国电子同步加速器研究所 (DESY) 的 Yi Tseng。两人是《物理评论 X》论文的共同第一作者。其他作者包括索邦大学的 Hebatalla Elnaggar、麻省理工学院物理系研究生 Qian Song、亚利桑那州立大学的 Mark Blei 和 Seth Ariel Tongay、乌得勒支大学的 Frank MF de Groot 以及布鲁克海文国家实验室的 Valentina Bisogni 和 Jonathan Pelliciari。