Wissenschaftler haben einen seltsamen magnetischen Zustand der Materie entdeckt

Wissenschaftler identifizieren seit fast 60 Jahren einen lang gesuchten magnetischen Zustand.

Wissenschaftler des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums haben einen lang erwarteten magnetischen Zustand des Materials entdeckt, der als „antimagnetischer exzitonischer Isolator“ bezeichnet wird.

Mark Dean, Physiker am Brookhaven Lab und leitender Autor eines Artikels, der die gerade veröffentlichte Forschung beschreibt Naturkommunikation. „Da magnetische Materialien im Mittelpunkt so vieler Technologien um uns herum stehen, sind neue Arten von Magneten von grundlegender Bedeutung und vielversprechend für zukünftige Anwendungen.“

Der neue magnetische Zustand beinhaltet eine starke magnetische Anziehung zwischen Elektronen in einem geschichteten Material, die bewirkt, dass die Elektronen ihre magnetischen Momente oder „Spins“ in einem regelmäßigen „antimagnetischen“ Muster von oben nach unten anordnen wollen. Die Idee eines solchen Antiferromagnetismus wurde erstmals in den 1960er Jahren durch verdrillte Elektronenkopplung in einem Isolator vorhergesagt, als Physiker die unterschiedlichen Eigenschaften von Metallen, Halbleitern und Isolatoren entdeckten.

Eine künstlerische Darstellung, wie das Team diese historische Phase des Materials identifizierte. Die Forscher haben mit Röntgenstrahlen gemessen, wie sich die Spinulae (blaue Pfeile) bewegen, wenn sie turbulent sind, und konnten zeigen, dass sie in der Länge in dem oben gezeigten Muster oszillieren. Dieses besondere Verhalten tritt auf, weil die Menge an elektrischer Ladung an jedem Ort (dargestellt als gelbe Scheiben) ebenfalls variieren kann und der Fingerabdruck ist, der verwendet wird, um das neue Verhalten zu bestimmen. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory

„Vor sechzig Jahren fingen Physiker gerade an, sich damit zu beschäftigen, wie man die Regeln der Quantenmechanik auf die elektronischen Eigenschaften von Materialien anwendet“, sagte Daniel Mazon, der ehemalige Physiker des Brookhaven Laboratory, der die Studie leitete und jetzt am Paul Scherer Institute in New York arbeitet Schweiz. „Sie versuchten herauszufinden, was passiert, wenn man die elektronische „Energielücke“ zwischen einem Isolator und einem Leiter immer kleiner macht. Ändert man einfach einen einfachen Isolator in ein einfaches Metall, in dem sich die Elektronen frei bewegen können, oder passiert etwas Interessanteres?“ ?“

Die Erwartung war, dass man unter bestimmten Bedingungen etwas Interessanteres bekommen könnte: die gerade von Brookhavens Team entdeckte „antiferromagnetische Anregung“.

Warum ist dieser Artikel so seltsam und interessant? Um es zu verstehen, lassen Sie uns in diese Begriffe eintauchen und untersuchen, wie dieser neue Zustand der Materie entsteht.

In einem Antiferromagneten haben die Elektronen benachbarter Atome magnetische Polarisationsachsen (Spin) in wechselnden Richtungen: aufwärts, abwärts, aufwärts, abwärts und so weiter. Auf der Skala des gesamten Materials heben sich diese alternierenden inneren Magnetrichtungen gegenseitig auf, was zu keinem Nettomagnetismus des Aggregatmaterials führt. Diese Materialien können schnell zwischen verschiedenen Zuständen ausgetauscht werden. Es widersteht auch Informationsverlusten aufgrund von Interferenzen durch externe Magnetfelder. Diese Eigenschaften machen antimagnetische Materialien für moderne Kommunikationstechnologien attraktiv.

Zu den Mitgliedern des Forschungsteams gehören: Daniel Mazon (ehemals Brookhaven Lab, jetzt am Paul Scherrer Institute in der Schweiz), Yao Shen (Brookhaven Lab), Gilberto Fabbris (Argonne National Laboratory), Hidemaro Suwa (University of Tokyo und University of Tennessee), Ho Miu (Oak Ridge National Laboratory-ORNL), Jennifer Sears* (Brookhaven Lab), Jian Liu (U-TN), Christian Batista (U-TN und ORNL) und Mark Dean (Brookhaven Lab). Quelle: Verschiedene Quellen, darunter *DESY, Marta Meyer

Als nächstes haben wir die Exzitonik. Exzitonen entstehen, wenn bestimmte Bedingungen es Elektronen ermöglichen, sich zu bewegen und heftig miteinander zu interagieren, um gebundene Zustände zu bilden. Elektronen können auch Zustände bilden, die mit „Löchern“ verbunden sind, die Leerstellen sind, die hinterlassen werden, wenn Elektronen an eine andere Position oder ein anderes Energieniveau in einem Material springen. Im Fall von Elektron-Elektron-Wechselwirkungen wird die Bindung durch magnetische Anziehungen angetrieben, die stark genug sind, um die Abstoßungskraft zwischen den beiden ähnlichen Teilchen zu überwinden. Bei Elektron-Loch-Wechselwirkungen muss die Anziehung stark genug sein, um die für einen Isolator charakteristische „Energielücke“ im Material zu überwinden.

„Ein Isolator ist das Gegenteil eines Metalls; es ist ein Material, das keinen Strom leitet“, sagte Dean. „Die Elektronen im Material bleiben im Allgemeinen in einem niederenergetischen oder „Grund“-Zustand.“ „Alle Elektronen sind vollgestopft an Ort und Stelle, wie Menschen in einem vollen Amphitheater; Er sagte. Um die Elektronen zu bewegen, muss man ihnen einen Energieschub geben, der groß genug ist, um die charakteristische Lücke zwischen dem Grundzustand und einem höheren Energieniveau zu überwinden.

Unter sehr speziellen Umständen kann der Energiegewinn aus magnetischen Elektron-Loch-Wechselwirkungen die Energiekosten für Elektronen, die durch das Energieloch springen, überwiegen.

Dank fortschrittlicher Technologien können Physiker nun diese besonderen Bedingungen untersuchen, um zu sehen, wie der Zustand des antiferromagnetischen axitonischen Isolators aussehen könnte.

Ein kollaboratives Team arbeitete mit einem Material namens Strontium-Iridium-Oxid (Sr.).₃Infrarot₂ein₇), das bei hoher Temperatur kaum ein Isolator ist. Daniel Mazzoni, Yao Shen (Brookhaven Laboratory), Gilberto Fabrice (Argonne National Laboratory) und Jennifer Sears (Brookhaven Laboratory) verwendeten Röntgenstrahlen an der Advanced Photon Source – einer Benutzereinrichtung des Office of Science des Energieministeriums am Argonne National Laboratory – um magnetische Wechselwirkungen und Energiekosten zu messen, die mit sich bewegenden Elektronen verbunden sind. Jian Liu und Johnny Yang von der University of Tennessee and Argonne, Wissenschaftler Mary Upton und Diego Casa, leisteten ebenfalls wichtige Beiträge.

Das Team begann seine Untersuchungen bei hoher Temperatur und kühlte das Material allmählich ab. Beim Abkühlen verringerte sich die Leistungslücke allmählich. bei 285 K (ca. 53 Grad[{“ 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