Ученые обнаружили странное магнитное состояние материи

Ученые идентифицируют долгожданное магнитное состояние почти 60 лет.

Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США обнаружили долгожданное магнитное состояние материала, названного «антимагнитный экситонный изолятор».

Марк Дин, физик Брукхейвенской лаборатории и старший автор статьи, описывающей исследование, только что опубликованное в Связь с природой. «С учетом того, что магнитные материалы лежат в основе столь многих технологий вокруг нас, новые типы магнитов в корне интересны и многообещающи для будущих применений».

Новое магнитное состояние включает в себя сильное магнитное притяжение между электронами в слоистом материале, которое заставляет электроны выстраивать свои магнитные моменты, или «спин», по правильному «антимагнитному» паттерну сверху вниз. Идея такого антиферромагнетизма была впервые предсказана скрученной электронной связью в изоляторе в 1960-х годах, когда физики открыли разные свойства металлов, полупроводников и изоляторов.

Впечатление художника о том, как команда идентифицировала этот исторический этап материала. Исследователи использовали рентгеновские лучи, чтобы измерить, как шипики (синие стрелки) двигаются, когда они турбулентны, и смогли показать, что их длина колеблется в соответствии с рисунком, показанным выше. Это конкретное поведение возникает из-за того, что количество электрического заряда в каждом месте (показанном желтыми дисками) также может варьироваться и является отпечатком, используемым для определения нового поведения. Предоставлено: Брукхейвенская национальная лаборатория.

«Шестьдесят лет назад физики только начинали задумываться о том, как применить правила квантовой механики к электронным свойствам материалов», — сказал Дэниел Мейзон, бывший физик из Брукхейвенской лаборатории, который руководил исследованием и сейчас работает в Институте Пола Шерера в США. Швейцария. «Они пытались выяснить, что происходит, когда электронный «энергетический зазор» между изолятором и проводником становится все меньше и меньше. Вы просто заменяете простой изолятор простым металлом, в котором электроны могут свободно двигаться, или происходит что-то более интересное. ?»

Ожидалось, что при определенных условиях можно получить нечто более интересное: «антиферромагнитное возбуждение», только что открытое группой Брукхейвена.

Почему эта статья такая странная и интересная? Чтобы понять это, давайте погрузимся в эти термины и исследуем, как формируется это новое состояние материи.

В антиферромагнетике электроны на соседних атомах имеют оси магнитной поляризации (спин) в чередующихся направлениях: вверх, вниз, вверх, вниз и так далее. В масштабе всего материала эти чередующиеся внутренние магнитные направления компенсируют друг друга, что приводит к отсутствию чистого магнетизма совокупного материала. Эти материалы могут быть быстро заменены между различными состояниями. Он также устойчив к потере информации из-за помех от внешних магнитных полей. Эти свойства делают антимагнитные материалы привлекательными для современных коммуникационных технологий.

В состав исследовательской группы входят: Даниэль Мейзон (ранее работавший в Брукхейвенской лаборатории, сейчас в Институте Пола Шеррера в Швейцарии), Яо Шен (Брукхейвенская лаборатория), Гилберто Фаббрис (Аргоннская национальная лаборатория), Хидемаро Сува (Токийский университет и Университет Теннесси), Хо Миу (Национальная лаборатория Ок-Риджа-ORNL), Дженнифер Сирс* (Брукхейвенская лаборатория), Цзянь Лю (U TN), Кристиан Батиста (U TN и ORNL) и Марк Дин (Брукхейвенская лаборатория). Предоставлено: различные источники, включая *DESY, Марту Мейер.

Далее у нас есть экситон. Экситоны возникают, когда определенные условия позволяют электронам двигаться и сильно взаимодействовать друг с другом, образуя связанные состояния. Электроны также могут образовывать состояния, связанные с «дырками», которые представляют собой вакансии, остающиеся после того, как электроны переходят на другое положение или энергетический уровень в материале. В случае электрон-электронных взаимодействий связь обусловлена ​​магнитным притяжением, достаточно сильным, чтобы преодолеть силу отталкивания между двумя подобными частицами. В случае электронно-дырочных взаимодействий притяжение должно быть достаточно сильным, чтобы преодолеть «энергетическую щель» в материале, характерную для изолятора.

«Изолятор — это противоположность металла, это материал, который не проводит электричество, — сказал Дин. — Электроны в материале обычно остаются в низкоэнергетическом или «основном» состоянии. Все электроны переполнены». на место, как люди в полном амфитеатре; Он сказал. Чтобы заставить электроны двигаться, вы должны дать им импульс энергии, достаточно большой, чтобы преодолеть характерный разрыв между основным состоянием и более высоким энергетическим уровнем.

В очень особых обстоятельствах выигрыш в энергии от магнитных электронно-дырочных взаимодействий может перевесить энергетические затраты электронов, прыгающих через энергетическую дыру.

Теперь, благодаря передовым технологиям, физики могут исследовать эти особые условия, чтобы увидеть, как может выглядеть состояние антиферромагнитного акситонного изолятора.

Совместная команда работала с материалом, называемым оксидом стронция и иридия (Sr.).₃Инфракрасный₂а₇), который едва ли является изолятором при высокой температуре. Даниэль Маццони, Яо Шен (Брукхейвенская лаборатория), Жилберто Фабрис (Аргоннская национальная лаборатория) и Дженнифер Сирс (Брукхейвенская лаборатория) использовали рентгеновские лучи в Усовершенствованном источнике фотонов — пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики в Аргоннской национальной лаборатории. — для измерения магнитных взаимодействий и энергетических затрат, связанных с движущимися электронами. Цзянь Лю и Джонни Ян из Университета Теннесси, а также ученые из Аргонны Мэри Аптон и Диего Каса также внесли важный вклад.

Команда начала свои исследования при высокой температуре и постепенно охлаждала материал. По мере охлаждения разрыв в мощности постепенно сокращался. при 285 К (около 53 градусов[{» 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