Oamenii de știință au descoperit o stare magnetică exotică a materiei

Oamenii de știință identifică o stare magnetică mult căutată, prezisă acum aproape 60 de ani.

Oamenii de știință de la Laboratorul Național Brookhaven al Departamentului de Energie al SUA au descoperit o stare magnetică a materiei prezisă de mult timp, numită „izolator excitonic antiferromagnetic”.

„În linii mari, acesta este un tip nou de magnet”, a declarat Mark Dean, fizicianul Brookhaven Lab, autor principal al unei lucrări care descrie cercetarea tocmai publicată în Comunicarea naturii. „Deoarece materialele magnetice se află în centrul multor tehnologii din jurul nostru, noile tipuri de magneți sunt fundamental fascinante și promițătoare pentru aplicații viitoare.”

Noua stare magnetică implică o puternică atracție magnetică între electroni dintr-un material stratificat, ceea ce îi face pe electroni să dorească să-și aranjeze momentele magnetice, sau „învârtiri”, într-un model obișnuit „antiferomagnetic” sus-jos. Ideea că un astfel de antiferomagnetism ar putea fi determinat de cuplarea neobișnuită a electronilor într-un material izolator a fost prezisă pentru prima dată în anii 1960, când fizicienii au explorat diferitele proprietăți ale metalelor, semiconductorilor și izolatorilor.

Faza istorică a materiei

O impresie de artist despre modul în care echipa a identificat această fază istorică a materiei. Cercetătorii au folosit raze X pentru a măsura modul în care rotiri (săgețile albastre) se mișcă atunci când sunt perturbate și au reușit să arate că acestea oscilează în lungime în modelul ilustrat mai sus. Acest comportament special apare deoarece cantitatea de sarcină electrică de la fiecare loc (prezentată ca discuri galbene) poate varia și ea și este amprenta utilizată pentru a stabili noul comportament. Credit: Brookhaven National Laboratory

„Acum 60 de ani, fizicienii tocmai începeau să ia în considerare modul în care regulile mecanicii cuantice se aplică proprietăților electronice ale materialelor”, a spus Daniel Mazzone, un fost fizician al laboratorului Brookhaven care a condus studiul și se află acum la Institutul Paul Scherrer din Elveția. „Încercau să afle ce se întâmplă în timp ce faci „decalajul de energie” electronic între un izolator și un conductor din ce în ce mai mic. Pur și simplu schimbi un izolator simplu într-un metal simplu în care electronii se pot mișca liber sau se întâmplă ceva mai interesant?

Predicția a fost că, în anumite condiții, puteți obține ceva mai interesant: și anume, „izolatorul excitonic antiferromagnetic” tocmai descoperit de echipa Brookhaven.

De ce este acest material atât de exotic și de interesant? Pentru a înțelege, să ne aruncăm în acești termeni și să explorăm cum se formează această nouă stare a materiei.

Într-un antiferomagnet, electronii de pe atomii adiacenți au axele de polarizare magnetică (spinuri) aliniate în direcții alternative: sus, jos, sus, jos și așa mai departe. La scara întregului material, acele orientări magnetice interne alternante se anulează reciproc, rezultând lipsa unui magnetism net al materialului total. Astfel de materiale pot fi schimbate rapid între diferite stări. De asemenea, sunt rezistente la pierderea informațiilor din cauza interferențelor din câmpurile magnetice externe. Aceste proprietăți fac materialele antiferomagnetice atractive pentru tehnologiile moderne de comunicare.

Noua echipă științifică a fazei materiei

Membrii echipei de cercetare includ: Daniel Mazzone (fostul Brookhaven Lab, acum la Institutul Paul Scherrer din Elveția), Yao Shen (Brookhaven Lab), Gilberto Fabbris (Argonne National Laboratory), Hidemaro Suwa (Universitatea din Tokyo și Universitatea din Tennessee). ), Hu Miao (Oak Ridge National Laboratory—ORNL), Jennifer Sears* (Brookhaven Lab), Jian Liu (U Tennessee), Christian Batista (U Tennessee și ORNL) și Mark Dean (Brookhaven Lab). Credit: Diverse surse, inclusiv *DESY, Marta Mayer

În continuare avem excitonic. Excitonii apar atunci când anumite condiții permit electronilor să se miște și să interacționeze puternic unul cu celălalt pentru a forma stări legate. Electronii pot forma, de asemenea, stări legate cu „găuri”, locurile libere lăsate în urmă atunci când electronii sar la o poziție diferită sau la un nivel de energie diferit într-un material. În cazul interacțiunilor electron-electron, legarea este determinată de atracții magnetice care sunt suficient de puternice pentru a depăși forța de respingere dintre cele două particule cu încărcare similară. În cazul interacțiunilor electron-gaură, atracția trebuie să fie suficient de puternică pentru a depăși „decalajul de energie” al materialului, o caracteristică a unui izolator.

„Un izolator este opusul unui metal; este un material care nu conduce electricitatea”, a spus Dean. Electronii din material rămân în general într-o stare de energie scăzută, sau „de bază”. „Electronii sunt blocați pe loc, ca oamenii într-un amfiteatru plin; nu se pot mișca”, a spus el. Pentru a face electronii să se miște, trebuie să le oferiți un impuls de energie suficient de mare pentru a depăși un decalaj caracteristic între starea fundamentală și un nivel de energie mai ridicat.

În circumstanțe foarte speciale, câștigul de energie din interacțiunile electron-gaură magnetică poate depăși costul energetic al electronilor care trec peste decalajul de energie.

Acum, datorită tehnicilor avansate, fizicienii pot explora acele circumstanțe speciale pentru a afla cum apare starea izolatorului excitonic antiferomagnetic.

O echipă de colaborare a lucrat cu un material numit oxid de stronțiu iridiu (Sr3A mergeDouăSAU7), care abia izola la temperaturi ridicate. Daniel Mazzone, Yao Shen (Laboratorul Brookhaven), Gilberto Fabbris (Laboratorul Național Argonne) și Jennifer Sears (Laboratorul Brookhaven) au folosit raze X la Advanced Photon Source – o facilitate pentru utilizatori DOE Office of Science la Laboratorul Național Argonne – pentru a măsura interacțiuni magnetice și costul energetic asociat al electronilor în mișcare. Jian Liu și Junyi Yang de la Universitatea din Tennessee și oamenii de știință din Argonne Mary Upton și Diego Casa au adus, de asemenea, contribuții importante.

Echipa și-a început investigația la temperatură ridicată și a răcit treptat materialul. Odată cu răcirea, decalajul de energie s-a restrâns treptat. La 285 Kelvin (aproximativ 53 de grade[{” 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

Leave a Comment