Mokslininkai nustatė magnetinę būseną, kurios ilgai ieškota beveik 60 metų.

JAV Energetikos departamento Brukhaveno nacionalinės laboratorijos mokslininkai atrado ilgai lauktą medžiagos magnetinę būseną, vadinamą „antimagnetiniu eksitoniniu izoliatoriumi“.

Markas Deanas, Brookhaven laboratorijos fizikas ir vyresnysis ką tik paskelbto tyrimo aprašo autorius. Gamtos komunikacijos. „Kadangi magnetinės medžiagos yra daugybės mus supančių technologijų pagrindas, nauji magnetų tipai yra iš esmės žavūs ir perspektyvūs ateityje.

Naujoji magnetinė būsena apima stiprią magnetinę trauką tarp elektronų sluoksniuotoje medžiagoje, dėl kurios elektronai nori išdėstyti savo magnetinius momentus arba „suktis“ įprastu „antimagnetiniu“ modeliu iš viršaus į apačią. Tokio antiferomagnetizmo idėją pirmą kartą nuspėjo susuktas elektronų sujungimas izoliatoriuje septintajame dešimtmetyje, kai fizikai atrado skirtingas metalų, puslaidininkių ir izoliatorių savybes.

Menininko įspūdis, kaip komanda nustatė šį istorinį medžiagos etapą. Tyrėjai naudojo rentgeno spindulius, kad išmatuotų, kaip spinulės (mėlynos rodyklės) juda, kai jos yra neramios, ir sugebėjo parodyti, kad jos svyruoja pagal aukščiau pateiktą modelį. Šis konkretus elgesys atsiranda dėl to, kad elektros krūvio kiekis kiekvienoje vietoje (rodomas kaip geltoni diskai) taip pat gali skirtis ir yra pirštų atspaudas, naudojamas naujam elgesiui nustatyti. Kreditas: Brookhaven nacionalinė laboratorija

„Prieš šešiasdešimt metų fizikai tik pradėjo domėtis, kaip kvantinės mechanikos taisykles pritaikyti medžiagų elektroninėms savybėms“, – sakė Danielis Mazonas, buvęs Brookhaven laboratorijos fizikas, vadovavęs tyrimui ir dabar dirbantis Paulo Schererio institute. Šveicarija. „Jie bandė išsiaiškinti, kas atsitinka, kai elektroninis „energijos tarpas” tarp izoliatoriaus ir laidininko tampa vis mažesnis. Ar tiesiog pakeičiate paprastą izoliatorių į paprastą metalą, kuriame elektronai gali laisvai judėti, ar atsitinka kažkas įdomesnio ?”

Tikėtasi, kad tam tikromis sąlygomis galite gauti ką nors įdomesnio: „antiferomagnetinį sužadinimą“, kurį ką tik atrado Brookhaven komanda.

Kodėl šis straipsnis toks keistas ir įdomus? Norėdami tai suprasti, pasinerkime į šiuos terminus ir panagrinėkime, kaip susidaro ši nauja materijos būsena.

Antiferomagnete ant gretimų atomų esantys elektronai turi magnetinės poliarizacijos (sukimosi) ašis kintamomis kryptimis: aukštyn, žemyn, aukštyn, žemyn ir pan. Visos medžiagos mastu šios kintamos vidinės magnetinės kryptys viena kitą panaikina, todėl agregatinės medžiagos grynasis magnetizmas nėra. Šios medžiagos gali būti greitai keičiamos tarp skirtingų būsenų. Jis taip pat atsparus informacijos praradimui dėl išorinių magnetinių laukų trikdžių. Dėl šių savybių antimagnetinės medžiagos patrauklios šiuolaikinėms ryšių technologijoms.

Tyrėjų komandos nariai: Danielis Mazzoni (buvęs Brookhaven Lab, dabar Paulo Scherrer institute Šveicarijoje), Yao Shen (Brukhaveno laboratorija), Gilberto Fabbris (Argonne nacionalinė laboratorija), Hidemaro Suwa (Tokjo universitetas ir Tenesio universitetas), Ho Miu (Oak Ridge nacionalinė laboratorija-ORNL), Jennifer Sears* (Brookhaven laboratorija), Jian Liu (U-TN), Christian Batista (U-TN ir ORNL) ir Mark Dean (Brookhaven Lab). Kreditas: įvairūs šaltiniai, įskaitant *DESY, Marta Meyer

Toliau turime eksitoną. Eksitonai atsiranda, kai tam tikros sąlygos leidžia elektronams judėti ir energingai sąveikauti vienas su kitu, sudarydami susietas būsenas. Elektronai taip pat gali sudaryti būsenas, susijusias su „skylėmis“, kurios yra laisvos vietos, kurios lieka, kai elektronai pereina į kitą padėtį ar energijos lygį medžiagoje. Elektronų ir elektronų sąveikos atveju ryšį skatina pakankamai stiprūs magnetiniai potraukiai, kad įveiktų atstumiamąją jėgą tarp dviejų panašių dalelių. Elektronų ir skylių sąveikos atveju trauka turi būti pakankamai stipri, kad įveiktų medžiagoje esantį „energijos tarpą“, būdingą izoliatoriui.

„Izoliatorius yra metalo priešingybė; tai medžiaga, kuri nelaidžia elektros, – sakė Deanas. – Medžiagoje esantys elektronai paprastai išlieka mažos energijos arba „žemės” būsenos. „Visi elektronai yra suspausti. į vietą, kaip žmonės pilname amfiteatre; Jis pasakė. Kad elektronai judėtų, turite suteikti jiems pakankamai energijos, kad būtų įveiktas būdingas atotrūkis tarp pagrindinės būsenos ir aukštesnio energijos lygio.

Labai ypatingomis aplinkybėmis energijos prieaugis dėl magnetinės elektronų skylės sąveikos gali viršyti elektronų, šokinėjančių per energijos skylę, energijos sąnaudas.

Dabar, pažangių technologijų dėka, fizikai gali ištirti tas ypatingas sąlygas, kad pamatytų, kaip gali pasirodyti antiferomagnetinio aksitoninio izoliatoriaus būsena.

Bendradarbiaujanti komanda dirbo naudodama medžiagą, vadinamą stroncio iridžio oksidu (Sr.).₃Infraraudonųjų spindulių₂a₇), kuris aukštoje temperatūroje vargu ar yra izoliatorius. Danielis Mazonas, Yao Shen (Brukhaveno laboratorija), Gilberto Fabrice’as (Argonos nacionalinė laboratorija) ir Jennifer Sears (Brukhaveno laboratorija) naudojo rentgeno spindulius pažangiajame fotonų šaltinyje – Argonos nacionalinės laboratorijos Energetikos departamento mokslo biuro naudotojo įrenginyje. —matuoti magnetinę sąveiką ir energijos sąnaudas.susijusius su judančiais elektronais. Jian Liu ir Johnny Yang iš Tenesio universiteto ir Argonne mokslininkai Mary Upton ir Diego Casa taip pat padarė svarbų indėlį.

Grupė pradėjo tyrimus aukštoje temperatūroje ir palaipsniui atvėsino medžiagą. Atvėsus, galios skirtumas palaipsniui mažėjo. esant 285 K (apie 53 laipsnių[{” 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