Naukowcy z Brookhaven National Laboratory przy Departamencie Energii USA odkryli od dawna przewidywany magnetyczny stan materii zwany „antyferromagnetycznym izolatorem ekscytonowym”.
„Ogólnie rzecz biorąc, jest to nowy rodzaj magnesu” – powiedział fizyk z Brookhaven Lab Mark Dean, starszy autor artykułu opisującego badania, które właśnie opublikowano w Nature Communications. „Ponieważ materiały magnetyczne leżą u podstaw większości otaczającej nas technologii, nowe rodzaje magnesów są zarówno fundamentalnie fascynujące, jak i obiecujące dla przyszłych zastosowań”.
Nowy stan magnetyczny obejmuje silne przyciąganie magnetyczne między elektronami w warstwowym materiale, które powoduje, że elektrony chcą ułożyć swoje momenty magnetyczne lub „spiny” w regularny wzór „antyferromagnetyczny”. Pomysł, że taki antyferromagnetyzm może być napędzany dziwacznym sprzężeniem elektronów w materiale izolacyjnym, został po raz pierwszy przewidziany w latach 60. XX wieku, gdy fizycy badali różne właściwości metali, półprzewodników i izolatorów.
„Sześćdziesiąt lat temu fizycy dopiero zaczynali zastanawiać się, w jaki sposób zasady mechaniki kwantowej odnoszą się do właściwości elektronicznych materiałów” – powiedział Daniel Mazzone, były fizyk Brookhaven Lab, który prowadził badania, a obecnie pracuje w Instytucie Paula Scherrera w Szwajcarii. „Próbowali dowiedzieć się, co się dzieje, gdy zmniejsza się elektroniczna„ przerwa energetyczna ” między izolatorem a przewodnikiem. Czy po prostu zmieniasz prosty izolator w prosty metal, w którym elektrony mogą się swobodnie poruszać, czy też robisz coś więcej ciekawe się stało?”
Przewidywano, że pod pewnymi warunkami można uzyskać coś bardziej interesującego: a mianowicie „antyferromagnetyczny izolator ekscytonowy” odkryty właśnie przez zespół z Brookhaven.
Dlaczego ten materiał jest tak egzotyczny i interesujący? Aby to zrozumieć, zagłębmy się w te terminy i zbadajmy, jak powstaje ten nowy stan materii.
W antyferromagnecie elektrony na sąsiednich atomach mają swoje osie polaryzacji magnetycznej (spiny) ustawione w naprzemiennych kierunkach: w górę, w dół, w górę, w dół i tak dalej. W skali całego materiału te naprzemienne wewnętrzne orientacje magnetyczne znoszą się wzajemnie, co skutkuje brakiem magnetyzmu netto całego materiału. Takie materiały można szybko przełączać między różnymi stanami. Są również odporne na utratę informacji w wyniku interferencji z zewnętrznymi polami magnetycznymi. Te właściwości sprawiają, że materiały antyferromagnetyczne są atrakcyjne dla nowoczesnych technologii komunikacyjnych.
Dalej mamy ekscyton. Ekscytony powstają, gdy pewne warunki pozwalają elektronom poruszać się i silnie oddziaływać ze sobą, tworząc stany związane. Elektrony mogą również tworzyć stany związane z „dziurami”, lukami pozostawionymi, gdy elektrony przeskakują do innej pozycji lub poziomu energii w materiale. W przypadku oddziaływań elektron-elektron wiązanie jest napędzane przez przyciąganie magnetyczne, które jest wystarczająco silne, aby przezwyciężyć siłę odpychającą między dwiema podobnie naładowanymi cząstkami. W przypadku interakcji elektron-dziura przyciąganie musi być wystarczająco silne, aby pokonać „przerwę energetyczną” materiału, charakterystyczną dla izolatora.
„Izolator jest przeciwieństwem metalu; jest to materiał, który nie przewodzi elektryczności” – powiedział Dean. Elektrony w materiale na ogół pozostają w niskim lub „przyziemnym” stanie energetycznym. „Elektrony są zablokowane w miejscu, jak ludzie w wypełnionym amfiteatrze; nie mogą się poruszać” – powiedział. Aby elektrony się poruszyły, musisz dać im zastrzyk energii, który jest wystarczająco duży, aby pokonać charakterystyczną lukę między stanem podstawowym a wyższym poziomem energii.
W bardzo szczególnych okolicznościach zysk energetyczny z oddziaływań magnetycznych elektron-dziura może przewyższyć koszt energii elektronów przeskakujących przez szczelinę energetyczną.
Teraz, dzięki zaawansowanym technikom, fizycy mogą zbadać te szczególne okoliczności, aby dowiedzieć się, jak powstaje stan antyferromagnetycznego izolatora ekscytonowego.
Wspólny zespół pracował z materiałem zwanym tlenkiem strontu irydu (Sr3Ir2O7), który w wysokiej temperaturze ledwo izoluje. Daniel Mazzone, Yao Shen (Brookhaven Lab), Gilberto Fabbris (Argonne National Laboratory) i Jennifer Sears (Brookhaven Lab) wykorzystali promieniowanie rentgenowskie w Advanced Photon Source — placówce użytkownika DOE Office of Science w Argonne National Laboratory — aby zmierzyć oddziaływania magnetyczne i związany z nimi koszt energetyczny poruszających się elektronów. Jian Liu i Junyi Yang z Uniwersytetu Tennessee i naukowcy z Argonne, Mary Upton i Diego Casa, również wnieśli istotny wkład.
Zespół rozpoczął badania w wysokiej temperaturze i stopniowo schładzał materiał. Wraz z chłodzeniem luka energetyczna stopniowo się zmniejszała. W temperaturze 285 kelwinów (około 53 stopni Fahrenheita) elektrony zaczęły przeskakiwać między warstwami magnetycznymi materiału, ale natychmiast utworzyły związane pary z dziurami, które pozostawiły, jednocześnie wyzwalając antyferromagnetyczne wyrównanie sąsiednich spinów elektronów. Hidemaro Suwa i Christian Batista z University of Tennessee przeprowadzili obliczenia w celu opracowania modelu wykorzystującego koncepcję przewidywanego antyferromagnetycznego izolatora ekscytonowego i wykazali, że model ten kompleksowo wyjaśnia wyniki eksperymentów.
„Korzystając z promieni rentgenowskich, zaobserwowaliśmy, że wiązanie wyzwalane przez przyciąganie między elektronami i dziurami w rzeczywistości oddaje więcej energii niż wtedy, gdy elektron przeskakuje przez przerwę wzbronioną” – wyjaśnił Yao Shen. „Ponieważ energia jest oszczędzana przez ten proces, wszystkie elektrony chcą to zrobić. Następnie, gdy wszystkie elektrony osiągnęły przejście, materiał wygląda inaczej niż w stanie wysokiej temperatury pod względem ogólnego układu elektronów i spinów. konfiguracja polega na uporządkowaniu spinów elektronów według antyferromagnetycznego wzoru, podczas gdy związane pary tworzą „zablokowany” stan izolacji”.
Identyfikacja antyferromagnetycznego izolatora ekscytonowego kończy długą podróż, badając fascynujące sposoby, w jakie elektrony układają się w materiałach. W przyszłości zrozumienie powiązań między spinem a ładunkiem w takich materiałach może mieć potencjał do realizacji nowych technologii.