Vědci objevili zvláštní magnetický stav hmoty

Vědci identifikují dlouho hledaný magnetický stav téměř 60 let.

Vědci z Brookhaven National Laboratory amerického ministerstva energetiky objevili dlouho očekávaný magnetický stav materiálu nazývaný „antimagnetický excitonický izolátor“.

Mark Dean, fyzik v Brookhaven Lab a hlavní autor článku popisujícího výzkum právě publikovaný v Příroda komunikace. „S magnetickými materiály, které jsou jádrem tolika technologií kolem nás, jsou nové typy magnetů zásadně fascinující a slibné pro budoucí aplikace.“

Nový magnetický stav zahrnuje silnou magnetickou přitažlivost mezi elektrony ve vrstveném materiálu, která způsobí, že elektrony chtějí uspořádat své magnetické momenty neboli „točit“ do pravidelného „antimagnetického“ vzoru shora dolů. Myšlenka takového antiferomagnetismu byla poprvé předpovězena kroucenou elektronovou vazbou v izolátoru v 60. letech, kdy fyzici objevili různé vlastnosti kovů, polovodičů a izolantů.

Umělecký dojem z toho, jak tým identifikoval tuto historickou fázi materiálu. Výzkumníci použili rentgenové záření k měření toho, jak se spinuly (modré šipky) pohybují, když jsou turbulentní, a byli schopni ukázat, že oscilují na délku ve vzoru uvedeném výše. K tomuto konkrétnímu chování dochází, protože množství elektrického náboje na každém místě (zobrazené jako žluté disky) se také může lišit a je to otisk prstu použitý k určení nového chování. Kredit: Brookhaven National Laboratory

„Před šedesáti lety fyzici teprve začínali zkoumat, jak aplikovat pravidla kvantové mechaniky na elektronické vlastnosti materiálů,“ řekl Daniel Mazon, bývalý fyzik z Brookhaven Laboratory, který studii vedl a nyní působí v Paul Scherer Institute v Švýcarsko. „Snažili se přijít na to, co se stane, když elektronickou ‚energetickou mezeru‘ mezi izolantem a vodičem stále zmenšujete. Změníte jednoduchý izolátor na jednoduchý kov, kde se elektrony mohou volně pohybovat, nebo se stane něco zajímavějšího? ?“

Očekávalo se, že za určitých podmínek můžete získat něco zajímavějšího: „antiferomagnetickou excitaci“, kterou právě objevil Brookhavenův tým.

Proč je tento článek tak zvláštní a zajímavý? Abychom tomu porozuměli, pojďme se ponořit do těchto termínů a prozkoumat, jak se tento nový stav hmoty tvoří.

V antiferomagnetiku mají elektrony na sousedních atomech osy magnetické polarizace (spin) ve střídavých směrech: nahoru, dolů, nahoru, dolů a tak dále. V měřítku celého materiálu se tyto střídavé vnitřní magnetické směry navzájem ruší, což má za následek žádný čistý magnetismus agregovaného materiálu. Tyto materiály lze rychle vyměňovat mezi různými stavy. Odolává také ztrátě informací v důsledku rušení vnějšími magnetickými poli. Tyto vlastnosti činí antimagnetické materiály atraktivními pro moderní komunikační technologie.

Mezi členy výzkumného týmu patří: Daniel Mazon (dříve z Brookhaven Lab, nyní na Paul Scherrer Institute ve Švýcarsku), Yao Shen (Brookhaven Lab), Gilberto Fabbris (Argonne National Laboratory), Hidemaro Suwa (University of Tokyo a University of Tennessee), Ho Miu (Oak Ridge National Laboratory-ORNL), Jennifer Sears* (Brookhaven Lab), Jian Liu (U TN), Christian Batista (U TN a ORNL) a Mark Dean (Brookhaven Lab). Kredit: Různé zdroje včetně *DESY, Marta Meyer

Dále tu máme excitonic. Excitony vznikají, když určité podmínky umožňují elektronům pohybovat se a vzájemně silně interagovat za vzniku vázaných stavů. Elektrony mohou také vytvářet stavy spojené s „dírami“, což jsou volná místa, která zůstanou, když elektrony přeskakují do jiné polohy nebo energetické hladiny v materiálu. V případě interakcí elektron-elektron je vazba řízena magnetickými přitažlivostmi dostatečně silnými na to, aby překonaly odpudivou sílu mezi dvěma podobnými částicemi. V případě interakcí elektron-díra musí být přitažlivost dostatečně silná, aby překonala „energetickou mezeru“ v materiálu, což je charakteristika izolantu.

„Izolátor je opakem kovu; je to materiál, který nevede elektřinu,“ řekl Dean. „Elektrony v materiálu obecně zůstávají v nízkoenergetickém, neboli „zemním“ stavu. „Všechny elektrony jsou nacpané na místo, jako lidé v plném amfiteátru; Řekl. Aby se elektrony pohnuly, musíte jim dát dostatečně velkou energii, aby překonaly charakteristickou mezeru mezi základním stavem a vyšší energetickou hladinou.

Za velmi zvláštních okolností může energetický zisk z magnetických interakcí elektron-díra převážit energetické náklady elektronů proskakujících energetickou dírou.

Nyní, díky pokročilým technologiím, mohou fyzici prozkoumat tyto speciální podmínky, aby viděli, jak by mohl vypadat stav antiferomagnetického axitonického izolátoru.

Kolaborativní tým pracoval s použitím materiálu zvaného oxid stroncium iridium (Sr.).₃Infračervený₂A₇), který je při vysoké teplotě stěží izolant. Daniel Mazzoni, Yao Shen (Brookhaven Laboratory), Gilberto Fabrice (Argonne National Laboratory) a Jennifer Sears (Brookhaven Laboratory) použili rentgenové záření na Advanced Photon Source – uživatelské zařízení Úřadu pro vědu ministerstva energetiky v Argonne National Laboratory —měřit magnetické interakce a energetické náklady spojené s pohybujícími se elektrony. Jian Liu a Johnny Yang z University of Tennessee a učenci z Argonne Mary Upton a Diego Casa také významně přispěli.

Tým zahájil vyšetřování při vysoké teplotě a postupně materiál ochlazoval. S chlazením se výkonová mezera postupně zmenšovala. při 285 K (asi 53 stupňů[{“ 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