Ученые идентифицируют долгожданное магнитное состояние, предсказанное почти 60 лет назад.
Ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США обнаружили давно предсказанное магнитное состояние вещества, называемое «антиферромагнитный экситонный изолятор».
«Вообще говоря, это новый тип магнита», — сказал физик Брукхейвенской лаборатории Марк Дин, старший автор статьи, описывающей исследование, только что опубликованное в Nature Communications . «Поскольку магнитные материалы лежат в основе многих технологий вокруг нас, новые типы магнитов интересны и многообещающи для будущих приложений».
Новое магнитное состояние включает в себя сильное магнитное притяжение между электронами в слоистом материале, которое заставляет электроны выстраивать свои магнитные моменты, или «спины», в регулярный «антиферромагнитный» узор вверх-вниз. Идея о том, что такой антиферромагнетизм может быть обусловлен причудливой электронной связью в изоляционном материале, впервые была предсказана в 1960-х годах, когда физики исследовали различные свойства металлов, полупроводников и изоляторов.
«Шестьдесят лет назад физики только начали задумываться о том, как правила квантовой механики применяются к электронным свойствам материалов», — сказал Даниэль Маццоне, бывший физик из Брукхейвенской лаборатории, который руководил исследованием, а сейчас работает в Институте Пауля Шеррера в Швейцарии. «Они пытались выяснить, что происходит, когда электронный «энергетический зазор» между изолятором и проводником становится все меньше и меньше. Вы просто превращаете простой изолятор в простой металл, в котором электроны могут свободно двигаться, или происходит что-то более интересное?»
Было предсказано, что при определенных условиях можно получить нечто более интересное, а именно «антиферромагнитный экситонный изолятор», только что обнаруженный группой из Брукхейвена.
Чем же этот материал так экзотичен и интересен? Чтобы понять, давайте погрузимся в эти термины и исследуем, как формируется это новое состояние материи.
В антиферромагнетике оси магнитной поляризации (спины) электронов на соседних атомах ориентированы в чередующихся направлениях: вверх, вниз, вверх, вниз и так далее. В масштабе всего материала эти чередующиеся внутренние магнитные ориентации компенсируют друг друга, что приводит к отсутствию чистого магнетизма всего материала. Такие материалы можно быстро переключать между различными состояниями. Они также устойчивы к потере информации из-за помех от внешних магнитных полей. Эти свойства делают антиферромагнитные материалы привлекательными для современных технологий связи.
Далее у нас есть экситонный. Экситоны возникают, когда определенные условия позволяют электронам двигаться и сильно взаимодействовать друг с другом, образуя связанные состояния. Электроны также могут образовывать связанные состояния с «дырками» — вакансиями, остающимися 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 одноименно заряженными частицами. В случае электронно-дырочных взаимодействий притяжение должно быть достаточно сильным, чтобы преодолеть «энергетическую щель» материала, характерную для изолятора.
«Изолятор — это противоположность металла; это материал, который не проводит электричество, — сказал Дин. Электроны в материале обычно остаются в низком, или «основном», энергетическом состоянии. «Все электроны застряли на месте, как люди в заполненном амфитеатре; они не могут передвигаться», — сказал он. Чтобы заставить электроны двигаться, вы должны дать им заряд энергии, достаточный для преодоления характерного разрыва между основным состоянием и более высоким энергетическим уровнем.
В очень особых обстоятельствах выигрыш в энергии от магнитных электронно-дырочных взаимодействий может перевесить затраты энергии на электроны, перепрыгивающие через энергетическую щель.
Теперь, благодаря передовым методам, физики могут исследовать эти особые обстоятельства, чтобы узнать, как возникает состояние антиферромагнитного экситонного изолятора.
Совместная команда работала с материалом, называемым оксидом стронция и иридия (Sr 3 Ir 2 O 7 ), который едва изолирует при высоких температурах. Даниэль Маццоне, Яо Шен (Брукхейвенская лаборатория), Гилберто Фаббрис (Аргоннская национальная лаборатория) и Дженнифер Сирс (Брукхейвенская лаборатория) использовали рентгеновские лучи в усовершенствованном источнике фотонов — пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики США в Аргоннской национальной лаборатории — для измерения магнитные взаимодействия и связанные с ними энергетические затраты движущихся электронов. Цзянь Лю и Джуньи 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 энергетический зазор постепенно сужался. При 285 Кельвинах (около 53 градусов по Фаренгейту ) электроны начали прыгать между магнитными слоями материала, но сразу же образовали связанные пары с оставленными ими дырками, одновременно запуская антиферромагнитное выравнивание соседних электронных спинов. Хидемаро Сува и Кристиан Батиста из Университета Теннесси выполнили расчеты для разработки модели с использованием концепции предсказанного антиферромагнитного экситонного изолятора и показали, что эта модель всесторонне объясняет экспериментальные результаты.
«С помощью рентгеновских лучей мы заметили, что связывание, вызванное притяжением между электронами и дырками, на самом деле возвращает больше энергии, чем когда электрон перепрыгивает через запрещенную зону», — объяснил Яо Шен. «Поскольку в этом процессе экономится энергия, все электроны хотят этого. Затем, после того как все электроны совершили переход, материал выглядит иначе, чем в высокотемпературном состоянии, с точки зрения общего расположения электронов и спинов. Новая конфигурация предполагает, что электронные спины упорядочиваются в антиферромагнитном паттерне, в то время как связанные пары создают «запертое» изолирующее состояние».
Идентификация антиферромагнитного экситонного изолятора завершает долгий путь изучения захватывающих способов, которыми электроны выбирают расположение в материалах. В будущем понимание связи между спином и зарядом в таких материалах может иметь потенциал для реализации новых технологий.
Роль Брукхейвенской лаборатории в этом исследовании финансировалась Управлением науки Министерства энергетики США, а сотрудники получали финансирование из ряда дополнительных источников, указанных в документе. Ученые также использовали вычислительные ресурсы Oak Ridge Leadership Computing Facility, пользовательского центра Управления науки Министерства энергетики в Окриджской национальной лаборатории.