科学家揭示范德华磁体中的激子行为

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由美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学家领导的研究小组揭示了被称为范德华磁体一类的材料中，被称为“激子”的移动、微观、粒子状物体的形成和行为的细节。
他们的工作有助于描绘出这些材料的光学和磁性之间的复杂关系，这些材料表现出有趣的特性，有朝一日可能带来基于磁性的全新技术，例如信息存储。
该研究发表在 2024 年 4 月 25 日《自然通讯》杂志在线版的一篇论文中。
研究人员利用位于布鲁克海文的美国能源部科学办公室用户设施国家同步加速器光源 II (NSLS-II) 研究了晶体材料镍磷三硫化物 (NiPS 3 )。NSLS-II 产生强烈的 X 射线光束，可用于研究从电池化合物到蛋白质等各种材料和生物样本。
激子由一个电子和一个“空穴”组成——晶体中没有电子的空间，表现为带正电的粒子——它们耦合在一起并作为一个整体移动。在 NiPS 3中发现激子引起了人们对这种特殊的范德华材料的极大兴趣。
这是因为激子和底层磁结构之间可能存在很强的联系，这暗示着可以通过磁性来理解甚至控制激子。但尽管进行了几项研究，科学家们至今仍无法揭示 NiPS 3中的激子结构和运动。
该团队利用一种称为共振非弹性 X 射线散射 (RIXS) 的 X 射线技术解决了这一难题，该技术可在 NSLS-II 的软非弹性 X 射线散射 (SIX) 光束线上使用。这个尖端实验站旨在利用 NSLS-II 的超亮 X 射线束来研究固体材料的电子特性，以极高的分辨率揭示能量行为。
“激子的基本性质是什么？它如何与磁性相互作用？这是我们希望 RIXS 能够帮助我们解答的两个问题，”布鲁克海文物理学家、论文作者之一马克·迪恩 (Mark Dean) 说。
在 RIXS 中，X 射线光子撞击材料中的电子并向多个方向散射。在 SIX，科学家可以“捕捉”这些光子并以极高的分辨率测量它们的动量和能量。利用这些信息，使用布鲁克海文开发的软件，他们可以反向研究材料中电子和空穴的性质。
他们发现，激子的形成和在 NiPS 3晶体中的传播受一种名为“亨特交换相互作用”的物理原理控制。该规则决定了不同电子自旋配置的能量，即每个电子携带的微小“向上”或“向下”磁矩。在 NiPS 3中，这种亨特交换提供了激子形成所需的能量。
研究人员还发现激子在晶体中的分散方式类似于一种称为“双磁振子”的自旋扰动，这是另一种准粒子。磁振子是晶格中电子自旋的集体激发，是范德华磁体中相互交织的电子和磁性行为的另一个方面。
“在未来几年，随着 RIXS 和电子显微镜等仪器和技术的进一步发展，我们期望能够对 NiPS 3进行更好的测量，”博士后研究员、这项研究的第一作者 Wei He 表示。“我们相信这种材料具有巨大的潜力，可以为利用磁性亨特激子实现新形式的可控磁信息开辟一条道路。”