在一项于近期发表在《物理评论X》上的研究中，一组物理学家报告了对一种磁性形式至关重要的奇异粒子的新见解。在这项工作所作出的众多发现中，研究人员表示他们已经确定了这种被称为激子的粒子的微观起源，为研究磁性二维材料开辟了一个新的方向。
一种奇异的粒子：激子
在物理学中，有各种不同类型的粒子。基本粒子是指那些不可再分割的粒子，是物质的基本组成部分。其他粒子则是由基本粒子组成的束缚态，比如原子。除此之外，还有一类粒子被称为准粒子。准粒子的行为很像基本粒子，但它们是由多个粒子的集体行为产生的。
激子就是一种重要的准粒子，它是一个电子和一个空穴的束缚态。在半导体中，当带负电的电子被光子激发时，电子就会从低能级跃迁到高能级，在电子的位置留下一个带正电荷的空穴。
在量子力学的作用下，电子和空穴仍然“连接”在一起，并且可以通过静电相互作用并相互“交流”。这种电子-空穴对的行为导致这种电子-空穴对的行为本身就像一个粒子，即激子。
超薄层材料
这项研究的核心是一类被称为二卤化镍的磁性材料，它们是由夹在卤素（氟、氯、溴、碘等）原子层之间的镍原子层组成的。尽管这种结构看似简单，但这些材料承载着丰富多样的磁现象。
这一次，研究人员仔细研究了由镍与氯、溴，以及碘组成的三种不同材料的电子特性。他们着重观察了当这些材料暴露于光下时的磁性变化。其中，激子以及激子与潜在磁性的关系是他们关注的焦点。他们想弄清楚：激子究竟是如何形成的？它们可以被操控吗？
我们知道，激子虽然不带有电荷，但是有自旋。在常见的铁磁体（比如可以贴在冰箱上的磁铁）中，自旋都指向同一个方向。不过，自旋也能够以其他模式组织，从而形成不同种类的磁铁。而与二卤化镍相关的磁性，则有着一种非常规的独特形式。正因如此，它在基础研究和应用研究中才显得独具魅力。
一种特殊仪器
在新的研究中，研究人员探索了激子是如何在二氟化镍、二溴化镍、二碘化镍这三种材料中形成的。更具体地说，他们确定了在这三种材料中产生激子所需的光的确切能量（或者说波长）。
这项研究在很大程度上依赖于一种先进的被称为共振非弹性X射线散射（RIXS）的光谱法。世界上只有少数设施拥有先进的高能量分辨率RIXS仪器。RIXS对镍原子的激子具有特殊的敏感性，使研究人员能够为二卤化镍系统的一般框架奠定基础，并使他们能够直接测量激子的传播。
被称为激子的奇异粒子在二卤化镍材料中的镍原子（灰）之间“跳跃”。激子用红色和浅蓝色的图形表示。（图/Comin Laboratoy via MIT NEWS）
通过在化学上“调谐”卤化物原子，研究人员测量并确定了三种不同二卤化镍中形成激子所需的能量。他们意外地发现，虽然这些激子起源于镍原子，但它们并不局限于这些原子位置，而是可以有效地在整个晶体的位点之间跳跃、传播。
这是首次通过这类激子观测到这种跳跃，为理解激子与材料磁性的相互作用提供了一个窗口。最后，他们还证明了这些发现背后的机制，在类似的镍基材料中其实普遍存在。
这一成果是理解光子在未来可以如何被用来与这些材料相互作用或监测这些材料的磁性状态的重要一步，为识别和控制具有特殊电子和磁性质的新材料打开了大门。
#创作团队：
编译：小雨
排版：雯雯
#参考来源：
https://news.mit.edu/2024/physicists-report-new-insights-exotic-particles-key-magnetism-0801
#图片来源：
封面图&首图：alanajordan
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