Znanstveniki so identificirali dolgo iskano magnetno stanje, ki je bilo napovedano pred skoraj 60 leti.

Znanstveniki iz nacionalnega laboratorija ameriškega ministrstva za energijo v Brookhavenu so odkrili dolgo pričakovano magnetno stanje snovi, imenovano “antiferomagnetni ekscitonski izolator”.

“Na splošno je to nova vrsta magneta,” je dejal fizik iz Brookhaven Lab Mark Dean, višji avtor prispevka, ki opisuje pravkar objavljeno raziskavo. komunikacija v naravi, “Ker so magnetni materiali v središču večine tehnologije okoli nas, so nove vrste magnetov v osnovi privlačne in obetavne za prihodnje aplikacije.”

Novo magnetno stanje vključuje močno magnetno privlačnost med elektroni v večplastnem materialu, ki povzroči, da elektroni organizirajo svoje magnetne momente ali “vrtijo” v reden gor in dol “antiferomagnetni” vzorec. Ideja, da bi tak antiferomagnetizem lahko poganjala bizarna sklopitev elektronov v izolacijskem materialu, je bila prvič predvidena v šestdesetih letih prejšnjega stoletja, ko so fiziki raziskovali različne lastnosti kovin, polprevodnikov in izolatorjev.

Umetnikov vtis o tem, kako je ekipa identificirala to zgodovinsko fazo materije. Raziskovalci so uporabili rentgenske žarke za merjenje, kako se vrti (modre puščice) premikajo, ko so moteni, in so lahko pokazali, da se podaljšajo po zgoraj prikazanem vzorcu. To posebno vedenje se pojavi, ker se lahko količina električnega naboja na vsakem mestu (prikazano kot rumena plošča) razlikuje in je prstni odtis, ki se uporablja za določitev novega vedenja. kredit: Brookhaven National Laboratory

»Pred šestdesetimi leti so fiziki šele začeli razmišljati o tem, kako se zakoni kvantne mehanike nanašajo na elektronske lastnosti materialov,« je povedal Daniel Mazzone, nekdanji fizik v laboratoriju Brookhaven, ki je vodil študijo, zdaj pa na inštitutu Paul Scherer v Švici. “Skušali so ugotoviti, kaj se zgodi, ko narediš elektronsko ‘energetsko vrzel’ med izolatorjem in prevodnikom vse manjšo in manjšo. Ali preprosto spremeniš preprost izolator v preprosto kovino, kjer so elektroni prosti. Lahko gremo naprej oz. se zgodi kaj bolj zanimivega?

Napoved je bila, da bi lahko pod določenimi pogoji našli kaj bolj zanimivega: namreč “antiferomagnetni ekscitonski izolator”, ki ga je pravkar odkrila ekipa Brookhaven.

Zakaj je to gradivo tako fascinantno in zanimivo? Da bi razumeli, se poglobimo v te izraze in ugotovimo, kako nastane to novo stanje snovi.

V antiferomagnetu imajo elektroni na sosednjih atomih svoje osi magnetne polarizacije (spin) poravnane v izmeničnih smereh: navzgor, navzdol, navzgor, navzdol in tako naprej. Na lestvici celotnega materiala se te intrinzične magnetne orientacije medsebojno izničijo, kar povzroči neto magnetizacijo kompozitnega materiala. Tak material je mogoče hitro preklapljati med različnimi stanji. Odporni so tudi na izgubo informacij zaradi motenj zunanjih magnetnih polj. Zaradi teh lastnosti so antiferomagnetni materiali privlačni za sodobne komunikacijske tehnologije.

Člani raziskovalne skupine so bili: Daniel Mazzone (prej Brookhaven Lab, zdaj na Inštitutu Paul Scherrer v Švici), Yao Shen (Brookhaven Lab), Gilberto Fabrice (Argonne National Laboratory), Hidemaro Suwa (Univerza v Tokiu in Univerza Tennessee). ), Hu Miao (Oak Ridge National Laboratory-ORNL), Jennifer Sears* (Brookhaven Lab), Jian Liu (U Tennessee), Christian Batista (U Tennessee in ORNL) in Mark Dean (Brookhaven Lab). Zasluge: *DESY, Marta Meyer. različni viri, vključno z

Nato imamo Excitonic. Vzbujanje se pojavi, ko nekateri pogoji omogočajo, da se elektroni premikajo in močno medsebojno delujejo, da tvorijo vezana stanja. Elektroni lahko tvorijo tudi vezana stanja z “luknjami”, prostimi mesti, ki ostanejo, ko elektroni skočijo na drug položaj ali energijsko raven v materialu. V primeru interakcij elektron-elektron vez poganjajo magnetne privlačnosti, ki so dovolj močne, da premagajo odbojno silo med dvema enako nabitima delcema. V primeru interakcij elektron-luknja mora biti privlačnost dovolj močna, da premaga materialno “energetsko vrzel”, značilno za izolator.

“Izolator je nasprotje kovine; je material, ki ne prevaja električne energije,” je dejal Dean. Elektroni v materialu običajno prebivajo v nižjem ali “zemeljskem” energijskem stanju. “Elektroni so zagozdeni na mestu, kot ljudje v zatohlem amfiteatru; ne morejo se premikati,” je dejal. in dovolj visoko, da premaga jasno razliko med nivoji energije.

V zelo posebnih okoliščinah lahko dobiček energije zaradi interakcij magnetnih elektron-luknja preseže stroške energije, ki jih elektroni skačejo čez energijsko vrzel.

Zdaj se lahko fiziki zahvaljujoč naprednim tehnikam naučijo zaznati posebne pogoje, pod katerimi se pojavi stanje antiferomagnetnega eksitonskega izolatorja.

Skupina je delala z materialom, imenovanim stroncijev iridijev oksid (Sr.)₃IR₂zdravo₇), ki je komaj izolativna pri visokih temperaturah. Daniel Mazzone, Yao Shen (Brookhaven Lab), Gilberto Fabrice (Argonne National Laboratory) in Jennifer Sears (Brookhaven Lab) so uporabili rentgenske žarke v Advanced Photon Source – Uradu za znanstvene uporabnike Urada DOE v Argonne National Laboratory – za merjenje magnetna interakcija gibljivih elektronov in s tem povezani stroški energije. Pomemben prispevek sta dala tudi Jian Liu in Xuni Yang z univerze Tennessee ter znanstvenika iz Argonne Mary Upton in Diego Casa.

Ekipa je svojo preiskavo začela pri visokih temperaturah in počasi ohladila material. S hlajenjem se je energetska vrzel postopoma zmanjševala. pri 285 Kelvinih (približno 53 stopinj) Fahrenheita), elektroni začnejo skakati med magnetnimi plastmi materiala, vendar takoj tvorijo vezane pare z luknjami, ki so jih pustili za seboj, hkrati pa sprožijo antiferomagnetno poravnavo sosednjih elektronskih spinov. Hidemaro Suva in Christian Batista z Univerze v Tennesseeju sta izračunala, da bi razvila model z uporabo koncepta predvidenega antiferomagnetnega eksitoničnega izolatorja in pokazala, da ta model široko pojasnjuje eksperimentalne rezultate.

Yao Shen je pojasnil: “Z uporabo rentgenskih žarkov smo videli, da vez, ki je posledica privlačnosti med elektroni in luknjami, dejansko odda več energije, ko elektron preskoči pasovno vrzel.” “Ker ta proces varčuje z energijo, želijo to storiti vsi elektroni. Potem, ko so vsi prehodi elektronov končani, je material videti drugačen od pogojev višje temperature glede na celotno razporeditev elektronov in vrtljajev. Nova konfiguracija vključuje vrtenje elektronov, urejeni v antiferomagnetnem vzorcu, medtem ko vezani pari tvorijo “zaklenjeno” izolacijsko stanje.”

Identifikacija antiferomagnetnih ekscitonskih izolatorjev zaključuje dolgo pot, na kateri se elektroni na fascinantne načine razporedijo v materiale. V prihodnosti bi lahko razumevanje razmerja med vrtenjem in nabojem v takšnih materialih imelo potencial za uresničitev novih tehnik.

Vlogo Brookhaven Lab v tej raziskavi je financiral Urad za znanost DOE, pri čemer so sodelavci prejemali sredstva iz vrste dodatnih virov, navedenih v prispevku. Znanstveniki so uporabili tudi računalniške vire iz Oak Ridge Leadership Computing Facility, Urada za znanstvene uporabnike DOE v nacionalnem laboratoriju Oak Ridge.

Referenca: “Stanje antiferromagnetnega ekscitonskega izolatorja v Sr.₃IR₂zdravo₇“D. G. Mazon, Y. Shen, H. Suwa, G. Fabrice, J. Yang, S.-S. Zhang, H. Miao, J. Sears, K. Jia, Y. G. Shi, MH Upton, DM Casa, X. Liu, Jian Liu, CD Batista in MPM Dean, 17. februar 2022, komunikacija v naravi,
DOI: 10.1038/s41467-022-28207-W