A tudósok az anyag furcsa mágneses állapotát fedezték fel

A tudósok közel 60 éve azonosítottak egy régóta keresett mágneses állapotot.

Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának brookhaveni nemzeti laboratóriumának tudósai felfedezték az anyag régóta várt mágneses állapotát, amelyet „antimágneses exciton szigetelőnek” neveznek.

Mark Dean, a Brookhaven Lab fizikusa és a kutatást leíró tanulmány vezető szerzője, aki most publikált. Természeti kommunikáció. „Mivel a mágneses anyagok a minket körülvevő technológia középpontjában állnak, az új típusú mágnesek alapvetően lenyűgözőek és ígéretesek a jövőbeli alkalmazások számára.”

Az új mágneses állapot erős mágneses vonzással jár az elektronok között egy réteges anyagban, ami arra készteti az elektronokat, hogy mágneses momentumaikat vagy „pörgésüket” egy szabályos „antimágneses” mintában fentről lefelé akarják rendezni. Az ilyen antiferromágnesesség gondolatát először egy szigetelő csavart elektroncsatolása jósolta meg az 1960-as években, amikor a fizikusok felfedezték a fémek, félvezetők és szigetelők különböző tulajdonságait.

Egy művész benyomása arról, hogy a csapat hogyan azonosította az anyag ezen történelmi szakaszát. A kutatók röntgensugarak segítségével mérték, hogyan mozognak a spinulusok (kék nyilak), amikor turbulensek, és kimutatták, hogy hosszukban a fent látható minta szerint oszcillálnak. Ez a sajátos viselkedés azért következik be, mert az elektromos töltés mértéke az egyes helyeken (sárga korongokként) szintén változhat, és az ujjlenyomat alapján határozzák meg az új viselkedést. Köszönetnyilvánítás: Brookhaven National Laboratory

„Hatvan évvel ezelőtt a fizikusok éppen elkezdték vizsgálni, hogyan alkalmazzák a kvantummechanika szabályait az anyagok elektronikus tulajdonságaira” – mondta Daniel Mazon, a Brookhaven Laboratory egykori fizikusa, aki a tanulmányt vezette, és jelenleg a Paul Scherer Intézet munkatársa. Svájc. „Megpróbálták kitalálni, mi történik, ha egyre kisebbre csökkenti a szigetelő és a vezető közötti elektronikus „energiarést”. Csak egy egyszerű szigetelőt cserélsz egy egyszerű fémre, ahol az elektronok szabadon mozoghatnak, vagy valami érdekesebb történik ?”

A várakozás az volt, hogy bizonyos feltételek mellett valami érdekesebbet is kaphat: a Brookhaven csapata által most felfedezett „antiferromágneses gerjesztést”.

Miért olyan furcsa és érdekes ez a cikk? Hogy megértsük, merüljünk el ezekben a kifejezésekben, és vizsgáljuk meg, hogyan jön létre ez az új halmazállapot.

Egy antiferromágnesben a szomszédos atomokon lévő elektronok mágneses polarizációs tengelyei (spin) vannak váltakozó irányú: fel, le, fel, le stb. A teljes anyag skáláján ezek a váltakozó belső mágneses irányok kioltják egymást, így az aggregált anyag nettó mágnesessége nincs. Ezek az anyagok gyorsan cserélhetők a különböző állapotok között. Ellenáll továbbá a külső mágneses mezők interferenciája miatti információvesztésnek. Ezek a tulajdonságok vonzóvá teszik az antimágneses anyagokat a modern kommunikációs technológiák számára.

A kutatócsoport tagjai: Daniel Mazzoni (korábban a Brookhaven Lab munkatársa, jelenleg a svájci Paul Scherrer Intézet), Yao Shen (Brookhaven Lab), Gilberto Fabbris (Argonne National Laboratory), Hidemaro Suwa (Tokiói Egyetem és Tennessee Egyetem), Ho Miu (Oak Ridge National Laboratory-ORNL), Jennifer Sears* (Brookhaven Lab), Jian Liu (U-TN), Christian Batista (U-TN és ORNL) és Mark Dean (Brookhaven Lab). Köszönetnyilvánítás: Különféle források, köztük *DESY, Marta Meyer

Következő az exciton. Az excitonok akkor keletkeznek, amikor bizonyos körülmények lehetővé teszik az elektronok mozgását, és erőteljes kölcsönhatásba lépnek egymással, hogy kötött állapotokat hozzanak létre. Az elektronok „lyukakkal” társított állapotokat is kialakíthatnak, amelyek akkor maradnak megüresedések, amikor az elektronok egy másik pozícióba vagy energiaszintre ugranak egy anyagban. Elektron-elektron kölcsönhatások esetén a kötést olyan mágneses vonzások hajtják, amelyek elég erősek ahhoz, hogy legyőzzék a két hasonló részecske közötti taszító erőt. Az elektron-lyuk kölcsönhatások esetén a vonzásnak elég erősnek kell lennie ahhoz, hogy legyőzze az anyagban lévő „energiarést”, ami egy szigetelőre jellemző.

„A szigetelő a fém ellentéte; ez egy olyan anyag, amely nem vezet elektromosságot” – mondta Dean. „Az anyagban lévő elektronok általában alacsony energiájú vagy „alapállapotban” maradnak. „Az összes elektron össze van zsúfolva. a helyére, mint az emberek egy teli amfiteátrumban; Ő mondta. Ahhoz, hogy az elektronok mozogjanak, elég nagy energialöketet kell adni nekik ahhoz, hogy leküzdjék az alapállapot és a magasabb energiaszint közötti jellegzetes rést.

Nagyon különleges körülmények között a mágneses elektron-lyuk kölcsönhatásokból származó energianyereség meghaladhatja az energialyukon átugró elektronok energiaköltségét.

A fejlett technológiáknak köszönhetően a fizikusok most feltárhatják ezeket a különleges körülményeket, hogy megnézzék, hogyan jelenhet meg az antiferromágneses axiton szigetelő állapota.

Egy együttműködő csapat a stroncium-irídium-oxid (Sr.) nevű anyag felhasználásával dolgozott.₃Infravörös₂a₇), amely magas hőmérsékleten aligha szigetelő. Daniel Mazon, Yao Shen (Brookhaven Laboratory), Gilberto Fabrice (Argonne Nemzeti Laboratórium) és Jennifer Sears (Brookhaven Laboratory) röntgensugarakat használtak az Advanced Photon Source-nál – az Argonne National Laboratory Energiaügyi Minisztériumának Tudományos Hivatalának felhasználói létesítményében. —mágneses kölcsönhatások és energiaköltségek mérésére.az elektronok mozgatásával kapcsolatos. Jian Liu és Johnny Yang, a Tennessee Egyetem és az Argonne tudósai, Mary Upton és Diego Casa szintén fontos szerepet játszottak.

A csapat magas hőmérsékleten kezdte a vizsgálatokat, és fokozatosan lehűtötték az anyagot. A lehűléssel fokozatosan csökkent a teljesítménykülönbség. 285 K-en (körülbelül 53 fok[{” 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