在粒子世界裡，有時“兩個比一個好”。
以電子對為例，當兩個電子結合在一起時，它們可以在沒有摩擦的情況下滑過一種材料，進而賦予這種材料特殊的超導特性。這種成對的電子，也被稱作庫珀對，是一種混合粒子，它是兩種粒子的複合體，但表現為一體，具有一種“1+1＞2”的特性。
近日，實體學家在一種不尋常的二維磁性材料中檢測到了另一種混合粒子。他們确定，這種混合粒子是一個電子和一個聲子（由一種材料的振動原子産生的準粒子）的“混搭”。
科學家在評估電子和聲子之間的力時發現，它們之間的力比迄今為止已知的其他任何電子-聲子混合強約10倍，這種不尋常的特性有望帶來新的應用。研究已于近日發表在《自然通訊》上。
二維材料薄片
現代凝聚态實體學領域在一定程度上專注于搜尋納米尺度上物質的互相作用。材料的原子、電子和其他亞原子粒子之間的這種互相作用，可以帶來令人驚訝的結果，比如超導性和其他奇異的現象。
實體學家通過将化學制品凝結在表面，合成二維材料的薄片，來尋找這些互相作用，這些材料可以做得隻有單個原子層一樣薄。
2018年，南韓的一個研究團隊在合成的三硫化鎳磷（NiPS3）片材中發現了一些意想不到的互相作用。
這種二維材料在大約150開爾文（-123攝氏度）的極低溫度下會成為一種反鐵磁體。反鐵磁體的微觀結構類似于原子的蜂窩晶格，這些原子的自旋與相鄰原子的自旋相反。相反，鐵磁材料則是由自旋排列在同一方向的原子組成。
在探測NiPS3時，團隊發現，當材料被冷卻到其反鐵磁性轉變的溫度之下時，一種奇異激發就會變得可見，盡管造成這種情況的互相作用的确切性質尚不清楚。另一個團隊則發現了一種混合粒子的迹象，但它的确切組分及其與這種奇異激發的關聯也仍是一個謎團。
科學家想知道，他們是否有可能檢測到這種混合粒子，并通過用超快的雷射捕捉它們的标志性運動，進而找出構成整體的兩個粒子。
超高速的“電影”
通常情況下，電子和其他亞原子粒子的運動速度太快了，即使借助世界上最快的相機也很難對它們成像。這種挑戰就像要拍下一個人飛奔時的照片差不多。拍下的照片很有可能都是模糊的，因為相機的快門（讓光線進入來捕捉圖像的裝置）不夠快，而人還一直在奔跑。
為了解決這個問題，新研究的團隊使用了一種超快雷射，它發射的光脈沖僅僅持續25飛秒（一飛秒是十億分之一秒的百萬分之一）。
他們将雷射脈沖分成兩個獨立的脈沖，将它們對準NiPS3的樣品。兩個脈沖被設定為互相之間有輕微的延遲，在第一個脈沖刺激樣品後，第二個脈沖則捕捉樣品的反應，時間分辨率為25飛秒。通過這種方式，他們能夠建立超快“電影”，從中就可以推斷出材料中不同粒子的互相作用。
特别是，他們測量了樣品反射光的精确量随兩個脈沖之間的時間變化的函數。如果有混合粒子存在，這種反射應該會以某種特定的方式改變。
事實證明，當樣品被冷卻到150開爾文以下時，情況确實如此，此時的材料會變成反鐵磁性的。這種混合粒子隻在一定溫度以下，也就是磁性開啟時才能看到。
為了确定這種粒子的具體組分，團隊改變了第一個雷射脈沖的顔色或頻率，并發現混合粒子在一種情況下是可見的，那就是當反射光的頻率處于某類特定的轉變時，而他們已經知道，這種轉變在電子在兩個d軌道之間移動時才會出現。
他們還研究了反射光光譜中可見的周期性圖案的間距，發現它與一種特定的聲子能量相比對。這澄清了混合粒子是由d軌道電子的激發和這種特定聲子組成的。
在d軌道中的電子與晶格振動波（聲子）強烈互相作用的藝術構象圖。小葉片結構描繪了三硫化鎳磷中鎳離子的電子雲，它也被稱為軌道。從軌道結構中發出的波代表聲子振蕩。紅色發光條紋表示電子和晶格振動之間形成了一種結合的狀态。｜圖檔來源：Emre Ergecen / MIT
他們根據測量結果進行了進一步模組化，發現将電子與聲子結合起來的力比其他已知的電子-聲子混合中估計的力要強約10倍。
潛在的新應用
這種粒子的特殊的鍵表明，它的電子和聲子可能被串接調諧了，也就是說，電子的任何變化都會影響到聲子，反之亦然。
從原理上來說，施加在混合粒子上的電子激發，比如電壓或光，可以像通常那樣刺激電子，同時影響聲子，進而影響材料的結構或磁性質。這種雙重控制可以讓科學家對一種材料施加電壓或光，而同時調整它的電和磁性質。
團隊認為，這些結果意義重大，因為他們是在NiPS3中發現了這種混合粒子。這是一種二維材料，最近因其磁性質而引起了人們的興趣。如果通過某些方式讓這些性質變得可以被操縱，這種材料未來就能作為一種新的磁性半導體，被制成更小、更快、更節能的電子産品。
#創作團隊：
編譯：M ka
排版：雯雯
#參考來源：
https://news.mit.edu/2022/physicists-detect-hybrid-particle-held-together-uniquely-intense-glue-0110
#圖檔來源：
封面圖：Emre Ergecen / MIT
首圖：Christine Daniloff / MIT