Wetenschappers hebben een vreemde magnetische toestand van materie ontdekt

Wetenschappers identificeren al bijna 60 jaar een lang gezochte magnetische staat.

Wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben een langverwachte magnetische toestand van het materiaal ontdekt, een ‘antimagnetische excitonische isolator’.

Mark Dean, een natuurkundige bij Brookhaven Lab en senior auteur van een paper waarin het onderzoek wordt beschreven dat zojuist is gepubliceerd in Natuurcommunicatie. “Met magnetische materialen die de kern vormen van zoveel technologieën om ons heen, zijn nieuwe soorten magneten fundamenteel fascinerend en veelbelovend voor toekomstige toepassingen.”

De nieuwe magnetische toestand omvat een sterke magnetische aantrekkingskracht tussen elektronen in een gelaagd materiaal dat ervoor zorgt dat de elektronen hun magnetische momenten, of “spin”, in een regelmatig “antimagnetisch” patroon van boven naar beneden willen rangschikken. Het idee van dergelijk antiferromagnetisme werd voor het eerst voorspeld door gedraaide elektronenkoppeling in een isolator in de jaren zestig toen natuurkundigen de verschillende eigenschappen van metalen, halfgeleiders en isolatoren ontdekten.

Een artistieke impressie van hoe het team deze historische fase van het materiaal identificeerde. De onderzoekers gebruikten röntgenstralen om te meten hoe de spinules (blauwe pijlen) bewegen als ze turbulent zijn en konden aantonen dat ze in het bovenstaande patroon oscilleren in de lengte. Dit specifieke gedrag treedt op omdat de hoeveelheid elektrische lading op elke locatie (weergegeven als gele schijven) ook kan variëren en de vingerafdruk is die wordt gebruikt om het nieuwe gedrag te bepalen. Krediet: Brookhaven National Laboratory

“Zestig jaar geleden begonnen natuurkundigen net te kijken hoe ze de regels van de kwantummechanica konden toepassen op de elektronische eigenschappen van materialen”, zegt Daniel Mazon, de voormalige Brookhaven Laboratory-fysicus die het onderzoek leidde en nu verbonden is aan het Paul Scherer Institute in Zwitserland. “Ze probeerden erachter te komen wat er gebeurt als je de elektronische ‘energiekloof’ tussen een isolator en een geleider steeds kleiner maakt. Verander je gewoon een eenvoudige isolator in een eenvoudig metaal waar de elektronen vrij kunnen bewegen, of gebeurt er iets interessanters ?”

De verwachting was dat je onder bepaalde omstandigheden iets interessants zou kunnen krijgen: de “antiferromagnetische excitatie” die zojuist is ontdekt door het team van Brookhaven.

Waarom is dit artikel zo raar en interessant? Laten we, om het te begrijpen, in deze termen duiken en onderzoeken hoe deze nieuwe staat van materie wordt gevormd.

In een antiferromagneet hebben de elektronen op naburige atomen assen van magnetische polarisatie (spin) in afwisselende richtingen: omhoog, omlaag, omhoog, omlaag, enzovoort. Op de schaal van het hele materiaal heffen deze afwisselende interne magnetische richtingen elkaar op, wat resulteert in geen netto magnetisme van het aggregaatmateriaal. Deze materialen kunnen snel worden gewisseld tussen verschillende staten. Het is ook bestand tegen informatieverlies als gevolg van interferentie van externe magnetische velden. Deze eigenschappen maken antimagnetische materialen aantrekkelijk voor moderne communicatietechnologieën.

Leden van het onderzoeksteam zijn: Daniel Mazon (voorheen van Brookhaven Lab, nu aan het Paul Scherrer Institute in Zwitserland), Yao Shen (Brookhaven Lab), Gilberto Fabbris (Argonne National Laboratory), Hidemaro Suwa (University of Tokyo and University of Tennessee), Ho Miu (Oak Ridge National Laboratory-ORNL), Jennifer Sears* (Brookhaven Lab), Jian Liu (U TN), Christian Batista (U TN en ORNL) en Mark Dean (Brookhaven Lab). Krediet: verschillende bronnen, waaronder *DESY, Marta Meyer

Vervolgens hebben we de excitoniek. Excitonen ontstaan ​​wanneer elektronen onder bepaalde omstandigheden kunnen bewegen en sterk met elkaar kunnen interageren om gebonden toestanden te vormen. Elektronen kunnen ook toestanden vormen die verband houden met “gaten”, wat vacatures zijn die overblijven wanneer elektronen naar een andere positie of energieniveau in een materiaal springen. In het geval van elektron-elektron-interacties wordt de binding aangedreven door magnetische aantrekkingen die sterk genoeg zijn om de afstotende kracht tussen de twee soortgelijke deeltjes te overwinnen. In het geval van elektron-gat-interacties moet de aantrekkingskracht sterk genoeg zijn om de “energiekloof” in het materiaal, een kenmerk van een isolator, te overbruggen.

“Een isolator is het tegenovergestelde van een metaal; het is een materiaal dat geen elektriciteit geleidt,” zei Dean. “De elektronen in het materiaal blijven over het algemeen in een toestand van lage energie of “aarde”. Alle elektronen zijn opeengepakt op hun plaats, zoals mensen in een vol amfitheater; Hij zei. Om de elektronen te laten bewegen, moet je ze een energieboost geven die groot genoeg is om de karakteristieke kloof tussen de grondtoestand en een hoger energieniveau te overbruggen.

In zeer speciale omstandigheden kan de energiewinst van magnetische elektron-gat-interacties opwegen tegen de energiekosten van elektronen die door het energiegat springen.

Dankzij geavanceerde technologieën kunnen natuurkundigen nu die speciale omstandigheden onderzoeken om te zien hoe de staat van de antiferromagnetische axitonische isolator eruit zou kunnen zien.

Een samenwerkend team werkte met een materiaal genaamd strontiumiridiumoxide (Sr.).₃Infrarood₂een₇), die bij hoge temperatuur nauwelijks een isolator is. Daniel Mazzoni, Yao Shen (Brookhaven Laboratory), Gilberto Fabrice (Argonne National Laboratory) en Jennifer Sears (Brookhaven Laboratory) gebruikten röntgenstralen bij de Advanced Photon Source – een gebruikersfaciliteit van het Department of Energy’s Office of Science in het Argonne National Laboratory —om magnetische interacties en energiekosten te meten die verband houden met bewegende elektronen. Jian Liu en Johnny Yang van de Universiteit van Tennessee en de Argonne-geleerden Mary Upton en Diego Casa leverden ook belangrijke bijdragen.

Het team begon hun onderzoek bij hoge temperatuur en koelde het materiaal geleidelijk af. Met koeling werd de vermogenskloof geleidelijk kleiner. bij 285 K (ongeveer 53 graden[{” 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