科学家发现了一种奇怪的物质磁性状态

科学家们发现了近 60 年来一直在寻找的磁性状态。

美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学家们发现了这种材料的长期预期磁性状态，称为“抗磁激子绝缘体”。

Mark Dean 是布鲁克海文实验室的物理学家，也是一篇描述该研究的论文的资深作者，该论文刚刚发表在 自然通讯. “由于磁性材料是我们周围众多技术的核心，新型磁铁从根本上来说是令人着迷的，并且对未来的应用很有希望。”

新的磁性状态涉及层状材料中电子之间的强磁吸引力，这导致电子想要以规则的“反磁”模式从上到下排列它们的磁矩或“自旋”。 1960 年代，当物理学家发现金属、半导体和绝缘体的不同特性时，首先通过绝缘体中的扭曲电子耦合预测了这种反铁磁性的想法。

艺术家对团队如何识别材料的这一历史阶段的印象。 研究人员使用 X 射线测量小刺（蓝色箭头）在湍流时如何移动，并能够显示它们在上面显示的模式中的长度振荡。 这种特殊行为的发生是因为每个位置的电荷量（显示为黄色圆盘）也可能不同，并且是用于确定新行为的指纹。 图片来源：布鲁克海文国家实验室

“60 年前，物理学家才刚刚开始研究如何将量子力学规则应用于材料的电子特性，”领导这项研究的前布鲁克海文实验室物理学家 Daniel Mazon 说，他现在在保罗谢勒研究所工作。瑞士。 “他们试图弄清楚当你让绝缘体和导体之间的电子‘能隙’越来越小时会发生什么。你是把一个简单的绝缘体换成一个电子可以自由移动的简单金属，还是发生更有趣的事情？ ？”

期望是，在某些条件下，您可以获得更有趣的东西：布鲁克海文团队刚刚发现的“反铁磁激发”。

为什么这篇文章如此奇怪和有趣？ 为了理解它，让我们深入研究这些术语并探索这种新的物质状态是如何形成的。

在反铁磁体中，相邻原子上的电子具有交替方向的磁极化（自旋）轴：向上、向下、向上、向下等。 在整个材料的尺度上，这些交替的内部磁方向相互抵消，导致聚集材料没有净磁性。 这些材料可以在不同状态之间快速交换。 它还可以抵抗由于外部磁场干扰而导致的信息丢失。 这些特性使抗磁材料对现代通信技术具有吸引力。

研究团队成员包括：Daniel Mazon（前身 Brookhaven Lab，现就职于瑞士 Paul Scherrer 研究所）、Yao Shen（Brookhaven Lab）、Gilberto Fabbris（阿贡国家实验室）、Hidemaro Suwa（东京大学和田纳西大学）、 Ho Miu（橡树岭国家实验室-ORNL）、Jennifer Sears*（布鲁克海文实验室）、刘健（U TN）、Christian Batista（U TN 和 ORNL）和 Mark Dean（布鲁克海文实验室）。 信用：各种来源，包括 *DESY、Marta Meyer

接下来我们有激子。 当某些条件允许电子四处移动并相互强烈相互作用以形成束缚态时，激子就会出现。 电子还可以形成与“空穴”相关的状态，这是当电子跃迁到材料中的不同位置或能级时留下的空位。 在电子-电子相互作用的情况下，键合是由足以克服两个相似粒子之间的排斥力的磁吸引力驱动的。 在电子-空穴相互作用的情况下，吸引力必须足够强以克服材料中的“能隙”，这是绝缘体的特性。

“绝缘体与金属相反；它是一种不导电的材料，”迪恩说，“材料中的电子通常保持在低能量或“基”状态。“所有电子都挤满了到位，就像人在一个完整的圆形剧场； 他说。 为了使电子移动，你必须给它们足够大的能量提升，以克服基态和更高能级之间的特征间隙。

在非常特殊的情况下，来自磁性电子-空穴相互作用的能量增益可以超过电子跃过能量空穴的能量成本。

现在，借助先进的技术，物理学家可以探索这些特殊条件，以了解反铁磁轴子绝缘体的状态可能会如何出现。

一个协作团队使用一种称为氧化锶铱 (Sr.) 的材料开展工作。₃红外线的₂一种₇)，在高温下几乎不是绝缘体。 Daniel Mazzoni、Yao Shen（布鲁克海文实验室）、Gilberto Fabrice（阿贡国家实验室）和 Jennifer Sears（布鲁克海文实验室）在 Advanced Photon Source（阿贡国家实验室能源部科学办公室的用户设施）上使用了 X 射线— 测量与移动电子相关的磁相互作用和能量成本。 田纳西大学的Jian Liu、Johnny Yang和Argonne的学者Mary Upton和Diego Casa也做出了重要贡献。

该团队在高温下开始研究并逐渐冷却材料。 随着冷却，功率差距逐渐缩小。 在 285 K（约 53 度[{” 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