在粒子世界中，有时候二个要比一个好。以电子对为例，当两个电子结合在一起时，它们可以在没有摩擦的情况下滑过材料，从而赋予材料特殊的超导特性。这种成对的电子(称为库珀对)是一种混合粒子——由两个粒子组成的复合粒子，它们表现得像一个粒子，其性质大于其各部分之和。

现在麻省理工学院的物理学家在一种不寻常的二维磁性材料中发现了另一种混合粒子。他们确定该混合粒子是一个电子和一个声子(一种由材料原子振动产生的准粒子)组成。当研究人员测量电子和声子之间的力时，他们发现这种胶(或键)的强度要比迄今为止已知的任何其他电子-声子混合体强10倍。

该粒子特殊的键表明它的电子和声子可能是串联调谐的。例如，电子的任何变化都会影响声子，反之亦然。原则上，施加到混合粒子上的电子激发(如电压或光)，可以像往常一样刺激电子，同时也会影响声子，从而影响材料的结构或磁性。这种双重控制可以使科学家将电压或光施加到材料上，结果不仅可以调整其电气特性，还可以调整其磁性。

该研究团队在三硫化镍磷(NiPS3)中发现了这种混合粒子，NiPS3是一种二维材料，最近因它的磁性引起了人们的兴趣。如果可以操纵这些特性，例如通过新检测到的混合粒子，科学家们相信，这种材料有朝一日可以用来作为一种新型磁性半导体材料，可以被制成更小、更快、更节能的电子产品。

麻省理工学院物理学教授Nuh Gedik说：“想象一下，如果我们可以激发一个电子并让磁力做出反应。那么你可以让这种设备与今天的设备工作方式大不相同。”Gedik和他的同事最近在《自然通讯》杂志上发表了他们的研究结果。

现代凝聚态物理研究领域的部分重点是寻找物质在纳米尺度上的相互作用。材料的原子、电子和其他亚原子粒子之间的相互作用可能会导致令人惊讶的结果，例如超导性和其他奇异现象。物理学家通过将化学物质凝聚到物体表面上合成二维材料薄片来寻找这些相互作用，这些材料可以制成只有一个原子层那么薄。
 
2018年，韩国的一个研究小组在NiPS3的合成薄片中发现了一些意想不到的相互作用，NiPS3是一种二维材料，它在150开尔文(或-123℃)左右的极低温度下会变成反铁磁体。反铁磁体的微观结构类似于原子的蜂窝晶格，其自旋与相邻原子的自旋相反。相反的，铁磁材料则是由自旋方向相同的原子组成。

在研究NiPS3时，该小组发现当材料冷却到其反铁磁转变温度以下时，会出现一种奇异的激发，尽管造成这种现象的相互作用的确切性质尚不清楚。另一组研究发现了混合粒子的迹象，但对它的确切成分及其与这种奇异激发的关系也不清楚。

Gedik和他的同事想知道他们是否可以检测到这种混合粒子，他们通过用超快激光捕捉它们的特征运动，梳理出了构成这一整体的两个粒子。

通常，电子和其他亚原子粒子的运动速度太快是无法成像的，即使使用世界上最快的相机也是如此。Gedik说，这项挑战类似于拍摄跑步者的照片。拍出的图像会很模糊，因为相机的快门速度不够快，快门还没来得及在人还在镜头里奔跑拍出清晰的照片。

为了解决这个问题，该团队使用了一种超快激光器，它发出的光脉冲仅持续25飞秒(1飞秒只有1秒的一千万亿分之一)。他们将激光脉冲分成两个单独的脉冲，并将它们对准NiPS3样品。两个脉冲设置为彼此稍有延迟，以便第一个脉冲刺激或“踢”样品，而第二个脉冲去捕获样品的响应，时间分辨率为25飞秒。通过这种方式，他们能够创造出超快的“电影”，可以从中推断出材料内不同粒子的相互作用。

特别是，他们测量了从样品反射光的精确数量，作为两个脉冲间时间的函数。如果存在混合粒子，这种反射应该以某种方式发生变化。事实证明，当样品冷却到150开尔文以下时，材料会出现反铁磁性。论文合作者Emre Ergeçen说：“我们发现这种混合粒子只有在一定温度下才能看到，也就是当磁性被打开的时候。”

为了识别粒子的具体成分，研究小组改变了第一道激光的颜色或频率，他们发现当反射光的频率在一种特定类型的跃迁附近时，这种混合粒子是可见的。这种跃迁是电子在两个d轨道间移动时发生的。他们还观察了反射光谱中可见的周期图案的间距，发现它与一种特定声子的能量相匹配。这说明了混合粒子是由d轨道的电子和这个特殊声子的激发组成。

他们根据测量结果做了一些进一步的建模，并发现电子与声子间的结合力要比其他已知的电子-声子混合体估计要强大约10倍。

论文合作者Batyr Ilyas说：“这种混合粒子的一种潜在作用是，它可以让你耦合到其中一个组件并间接调整另一个组件。这样，你就可以改变材料的特性，比如系统的磁性状态。”（编译:Qtech）