Bilim adamları maddenin garip bir manyetik durumunu keşfettiler

Bilim adamları, yaklaşık 60 yıldır uzun süredir aranan bir manyetik durum belirlediler.

ABD Enerji Bakanlığı’nın Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki bilim adamları, “antimanyetik eksitonik yalıtkan” olarak adlandırılan malzemenin uzun zamandır beklenen bir manyetik durumunu keşfettiler.

Brookhaven Laboratuarı’nda fizikçi ve yeni yayınlanan araştırmayı açıklayan bir makalenin kıdemli yazarı olan Mark Dean Doğa İletişimi. “Çevremizdeki pek çok teknolojinin merkezinde yer alan manyetik malzemelerle, yeni mıknatıs türleri temelde büyüleyici ve gelecekteki uygulamalar için umut verici.”

Yeni manyetik durum, elektronların manyetik momentlerini düzenlemek veya yukarıdan aşağıya düzenli bir “antimanyetik” modelde “dönmek” istemelerine neden olan katmanlı bir malzemedeki elektronlar arasında güçlü bir manyetik çekim içerir. Böyle bir antiferromanyetizma fikri ilk olarak fizikçilerin metallerin, yarı iletkenlerin ve yalıtkanların farklı özelliklerini keşfettiği 1960’larda bir yalıtkandaki bükülmüş elektron eşleşmesi ile tahmin edildi.

Takımın malzemenin bu tarihsel aşamasını nasıl tanımladığına dair bir sanatçının izlenimi. Araştırmacılar, türbülanslı olduklarında spinüllerin (mavi oklar) nasıl hareket ettiğini ölçmek için X-ışınlarını kullandılar ve yukarıda gösterilen modelde uzunluk olarak salındıklarını gösterebildiler. Bu özel davranış, her bir konumdaki (sarı diskler olarak gösterilen) elektrik yükünün miktarının da değişebilmesi ve yeni davranışı belirlemek için kullanılan parmak izi olması nedeniyle oluşur. Kredi: Brookhaven Ulusal Laboratuvarı

Çalışmayı yöneten eski Brookhaven Laboratuvarı fizikçisi Daniel Mazon, “Altmış yıl önce, fizikçiler kuantum mekaniği kurallarını malzemelerin elektronik özelliklerine nasıl uygulayacaklarına bakmaya başladılar” dedi. İsviçre. “Bir yalıtkan ve iletken arasındaki elektronik ‘enerji boşluğunu’ giderek küçülttüğünüzde ne olduğunu anlamaya çalışıyorlardı. Basit bir yalıtkanı, elektronların serbestçe hareket edebileceği basit bir metalle mi değiştiriyorsunuz yoksa daha ilginç bir şey mi oluyor? ?”

Beklenti, belirli koşullar altında daha ilginç bir şey elde edebilmenizdi: Brookhaven’ın ekibi tarafından yeni keşfedilen “antiferromanyetik uyarım”.

Bu makale neden bu kadar garip ve ilginç? Bunu anlamak için, bu terimlere dalalım ve maddenin bu yeni halinin nasıl oluştuğunu keşfedelim.

Bir antiferromıknatısta, komşu atomlardaki elektronlar, değişen yönlerde manyetik polarizasyon (spin) eksenlerine sahiptir: yukarı, aşağı, yukarı, aşağı vb. Tüm malzeme ölçeğinde, bu değişen dahili manyetik yönler, agrega malzemesinin net manyetizması ile sonuçlanmadan birbirini iptal eder. Bu malzemeler farklı durumlar arasında hızla değiştirilebilir. Ayrıca, harici manyetik alanlardan kaynaklanan parazit nedeniyle bilgi kaybına karşı da direnç gösterir. Bu özellikler, antimanyetik malzemeleri modern iletişim teknolojileri için çekici kılmaktadır.

Araştırma ekibi üyeleri şunlardır: Daniel Mazzoni (eskiden Brookhaven Lab’den, şimdi İsviçre’deki Paul Scherrer Enstitüsü’nde), Yao Shen (Brookhaven Lab), Gilberto Fabbris (Argonne Ulusal Laboratuvarı), Hidemaro Suwa (Tokyo Üniversitesi ve Tennessee Üniversitesi), Ho Miu (Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı-ORNL), Jennifer Sears* (Brookhaven Lab), Jian Liu (U-TN), Christian Batista (U-TN ve ORNL) ve Mark Dean (Brookhaven Lab). Kredi: *DESY, Marta Meyer dahil olmak üzere çeşitli kaynaklar

Sonra eksitonik var. Eksitonlar, belirli koşullar elektronların hareket etmesine ve bağlı durumlar oluşturmak için birbirleriyle kuvvetli bir şekilde etkileşime girmesine izin verdiğinde ortaya çıkar. Elektronlar, elektronlar bir malzemede farklı bir konuma veya enerji düzeyine atladığında kalan boşluklar olan “delikler” ile ilişkili durumlar da oluşturabilir. Elektron-elektron etkileşimleri durumunda, bağ, iki benzer parçacık arasındaki itme kuvvetinin üstesinden gelmeye yetecek kadar güçlü manyetik çekimler tarafından yürütülür. Elektron-delik etkileşimleri durumunda, çekim, bir yalıtkanın bir özelliği olan malzemedeki “enerji boşluğunu” yenecek kadar güçlü olmalıdır.

Dean, “İzolatör metalin tersidir; elektriği iletmeyen bir malzemedir” dedi. “Malzeme içindeki elektronlar genellikle düşük enerjili veya “toprak” durumda kalır. “Tüm elektronlar tıka basa dolu tam bir amfi tiyatrodaki insanlar gibi yerine; dedi. Elektronları hareket ettirmek için, onlara temel durum ile daha yüksek bir enerji seviyesi arasındaki karakteristik boşluğun üstesinden gelmek için yeterince büyük bir enerji artışı vermelisiniz.

Çok özel durumlarda, manyetik elektron deliği etkileşimlerinden elde edilen enerji kazancı, enerji deliğinden atlayan elektronların enerji maliyetinden daha ağır basabilir.

Şimdi, ileri teknolojiler sayesinde fizikçiler, antiferromanyetik aksitonik yalıtkanın durumunun nasıl görünebileceğini görmek için bu özel koşulları keşfedebilirler.

Ortak bir ekip, stronsiyum iridyum oksit (Sr.) adı verilen bir malzeme kullanarak çalıştı.₃Kızılötesi₂a₇), yüksek sıcaklıkta pek yalıtkan değildir. Daniel Mazon, Yao Shen (Brookhaven Laboratuvarı), Gilberto Fabrice (Argonne Ulusal Laboratuvarı) ve Jennifer Sears (Brookhaven Laboratuvarı), Argonne Ulusal Laboratuvarı’nda Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi’nin bir kullanıcı tesisi olan Gelişmiş Foton Kaynağında X-ışınlarını kullandı. —hareketli elektronlarla ilişkili manyetik etkileşimleri ve enerji maliyetlerini ölçmek için. Tennessee Üniversitesi’nden Jian Liu ve Johnny Yang ile Argonne bilim adamları Mary Upton ve Diego Casa da önemli katkılarda bulundular.

Ekip, araştırmalarına yüksek sıcaklıkta başladı ve malzemeyi yavaş yavaş soğuttu. Soğutma ile güç farkı giderek daraldı. 285 K’de (yaklaşık 53 derece[{” 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