Naukowcy identyfikują długo poszukiwany stan magnetyczny od prawie 60 lat.
Naukowcy z Brookhaven National Laboratory w Departamencie Energii Stanów Zjednoczonych odkryli długo oczekiwany stan magnetyczny materiału zwanego „antymagnetycznym izolatorem ekscytonowym”.
Mark Dean, fizyk z Brookhaven Lab i starszy autor artykułu opisującego badania opublikowane właśnie w Komunikacja przyrodnicza. „Z materiałami magnetycznymi w centrum tak wielu technologii wokół nas, nowe typy magnesów są fundamentalnie fascynujące i obiecujące dla przyszłych zastosowań”.
Nowy stan magnetyczny obejmuje silne przyciąganie magnetyczne między elektronami w warstwowym materiale, które powoduje, że elektrony chcą ułożyć swoje momenty magnetyczne lub „spinować” w regularny „antymagnetyczny” wzór od góry do dołu. Ideę takiego antyferromagnetyzmu po raz pierwszy przewidziało skręcone sprzężenie elektronów w izolatorze w latach 60. XX wieku, kiedy fizycy odkryli różne właściwości metali, półprzewodników i izolatorów.
Wrażenie artysty na temat tego, jak zespół zidentyfikował tę historyczną fazę materiału. Naukowcy wykorzystali promieniowanie rentgenowskie, aby zmierzyć, jak poruszają się kolce (niebieskie strzałki), gdy są turbulentne i byli w stanie wykazać, że oscylują one na długości zgodnie ze schematem pokazanym powyżej. To szczególne zachowanie występuje, ponieważ ilość ładunku elektrycznego w każdej lokalizacji (pokazana jako żółte krążki) również może się różnić i jest to odcisk palca używany do określenia nowego zachowania. Źródło: Laboratorium Narodowe Brookhaven
„Sześćdziesiąt lat temu fizycy dopiero zaczynali zastanawiać się, jak zastosować zasady mechaniki kwantowej do właściwości elektronicznych materiałów” – powiedział Daniel Mazon, były fizyk z Brookhaven Laboratory, który kierował badaniem, a obecnie pracuje w Instytucie Paula Scherera w Instytucie im. Szwajcaria. „Próbowali dowiedzieć się, co się dzieje, gdy elektroniczna 'przerwa energetyczna’ między izolatorem a przewodnikiem będzie coraz mniejsza. Czy po prostu zmieniasz prosty izolator na prosty metal, w którym elektrony mogą się swobodnie poruszać, czy dzieje się coś bardziej interesującego ?”
Oczekiwano, że pod pewnymi warunkami można uzyskać coś ciekawszego: „wzbudzenie antyferromagnetyczne” właśnie odkryte przez zespół Brookhaven.
Dlaczego ten artykuł jest taki dziwny i interesujący? Aby to zrozumieć, zagłębmy się w te terminy i zbadajmy, jak powstaje ten nowy stan materii.
W antyferromagnecie elektrony na sąsiednich atomach mają osie polaryzacji magnetycznej (spin) w naprzemiennych kierunkach: w górę, w dół, w górę, w dół i tak dalej. W skali całego materiału te naprzemienne wewnętrzne kierunki magnetyczne znoszą się nawzajem, co skutkuje brakiem magnetyzmu netto materiału kruszywa. Materiały te można szybko wymieniać między różnymi stanami. Jest również odporny na utratę informacji z powodu interferencji z zewnętrznymi polami magnetycznymi. Te właściwości sprawiają, że materiały antymagnetyczne są atrakcyjne dla nowoczesnych technologii komunikacyjnych.
Członkowie zespołu badawczego to: Daniel Mazon (dawniej Brookhaven Lab, obecnie Paul Scherrer Institute w Szwajcarii), Yao Shen (Brookhaven Lab), Gilberto Fabbris (Argonne National Laboratory), Hidemaro Suwa (Uniwersytet Tokijski i Uniwersytet Tennessee), Ho Miu (Oak Ridge National Laboratory-ORNL), Jennifer Sears* (Brookhaven Lab), Jian Liu (U-TN), Christian Batista (U-TN i ORNL) i Mark Dean (Brookhaven Lab). Źródło: Różne źródła, w tym *DESY, Marta Meyer
Dalej mamy ekscyton. Ekscytony powstają, gdy pewne warunki pozwalają elektronom poruszać się i oddziaływać ze sobą energicznie, tworząc stany związane. Elektrony mogą również tworzyć stany związane z „dziurami”, które są lukami pozostawionymi, gdy elektrony przeskakują do innej pozycji lub poziomu energii w materiale. W przypadku oddziaływań elektron-elektron wiązanie jest napędzane przez przyciąganie magnetyczne wystarczająco silne, aby przezwyciężyć siłę odpychającą między dwiema podobnymi cząsteczkami. W przypadku oddziaływań elektron-dziura przyciąganie musi być wystarczająco silne, aby pokonać „przerwę energetyczną” w materiale, charakterystyczną dla izolatora.
„Izolator jest przeciwieństwem metalu; jest to materiał, który nie przewodzi elektryczności” – powiedział Dean. „Elektrony w materiale na ogół pozostają w stanie niskoenergetycznym lub w stanie „podstawowym”. „Wszystkie elektrony są stłoczone na miejscu, jak ludzie w pełnym amfiteatrze; Powiedział. Aby poruszyć elektrony, musisz dać im zastrzyk energii na tyle duży, aby pokonać charakterystyczną lukę między stanem podstawowym a wyższym poziomem energii.
W bardzo szczególnych okolicznościach zysk energii z interakcji magnetycznych elektron-dziura może przewyższyć koszt energii elektronów przeskakujących przez dziurę energetyczną.
Teraz, dzięki zaawansowanym technologiom, fizycy mogą zbadać te szczególne warunki, aby zobaczyć, jak może wyglądać stan antyferromagnetycznego izolatora aksitonicznego.
Wspólny zespół pracował nad materiałem zwanym tlenkiem strontu irydu (Sr .).3Podczerwień2a7), który nie jest izolatorem w wysokiej temperaturze. Daniel Mazzoni, Yao Shen (Brookhaven Laboratory), Gilberto Fabrice (Argonne National Laboratory) i Jennifer Sears (Brookhaven Laboratory) wykorzystali promieniowanie rentgenowskie w Advanced Photon Source — obiekcie użytkownika Biura Naukowego Departamentu Energii w Argonne National Laboratory —do pomiaru oddziaływań magnetycznych i kosztów energii związanych z poruszającymi się elektronami. Jian Liu i Johnny Yang z University of Tennessee i naukowcy z Argonne, Mary Upton i Diego Casa, również wnieśli istotny wkład.
Zespół rozpoczął badania w wysokiej temperaturze i stopniowo schładzał materiał. Wraz z chłodzeniem luka mocy stopniowo się zmniejszała. w 285 K (około 53 stopni[{” attribute=””>Fahrenheit), electrons started jumping between the magnetic layers of the material but immediately formed bound pairs with the holes they’d left behind, simultaneously triggering the antiferromagnetic alignment of adjacent electron spins. Hidemaro Suwa and Christian Batista of the University of Tennessee performed calculations to develop a model using the concept of the predicted antiferromagnetic excitonic insulator, and showed that this model comprehensively explains the experimental results.
“Using x-rays we observed that the binding triggered by the attraction between electrons and holes actually gives back more energy than when the electron jumped over the band gap,” explained Yao Shen. “Because energy is saved by this process, all the electrons want to do this. Then, after all electrons have accomplished the transition, the material looks different from the high-temperature state in terms of the overall arrangement of electrons and spins. The new configuration involves the electron spins being ordered in an antiferromagnetic pattern while the bound pairs create a ‘locked-in’ insulating state.”
The identification of the antiferromagnetic excitonic insulator completes a long journey exploring the fascinating ways electrons choose to arrange themselves in materials. In the future, understanding the connections between spin and charge in such materials could have potential for realizing new technologies.
Brookhaven Lab’s role in this research was funded by the DOE Office of Science, with collaborators receiving funding from a range of additional sources noted in the paper. The scientists also used computational resources of the Oak Ridge Leadership Computing Facility, a DOE Office of Science user facility at Oak Ridge National Laboratory.
Reference: “Antiferromagnetic Excitonic Insulator State in Sr3Ir2O7” by D. G. Mazzone, Y. Shen, H. Suwa, G. Fabbris, J. Yang, S.-S. Zhang, H. Miao, J. Sears, Ke Jia, Y. G. Shi, M. H. Upton, D. M. Casa, X. Liu, Jian Liu, C. D. Batista and M. P. M. Dean, 17 February 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-28207-w