Wissenschaftler identifizieren einen lang gesuchten magnetischen Zustand, der vor fast 60 Jahren vorhergesagt wurde.
Wissenschaftler des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums haben einen seit langem vorhergesagten magnetischen Zustand der Materie entdeckt, der als „antiferromagnetischer exzitonischer Isolator“ bezeichnet wird.
„Im Großen und Ganzen ist dies eine neuartige Art von Magnet“, sagte der Physiker Mark Dean vom Brookhaven Lab, Seniorautor eines Artikels, der die gerade veröffentlichte Forschung beschreibt Naturkommunikation. „Da magnetische Materialien das Herzstück vieler Technologien um uns herum bilden, sind neue Arten von Magneten sowohl grundlegend faszinierend als auch vielversprechend für zukünftige Anwendungen.“
Der neue magnetische Zustand beinhaltet eine starke magnetische Anziehung zwischen Elektronen in einem geschichteten Material, die die Elektronen dazu bringt, ihre magnetischen Momente oder „Spins“ in einem regelmäßigen „antiferromagnetischen“ Muster von oben nach unten anzuordnen. Die Idee, dass ein solcher Antiferromagnetismus durch eine seltsame Elektronenkopplung in einem isolierenden Material angetrieben werden könnte, wurde erstmals in den 1960er Jahren vorhergesagt, als Physiker die unterschiedlichen Eigenschaften von Metallen, Halbleitern und Isolatoren untersuchten.
Eine künstlerische Darstellung, wie das Team diese historische Phase der Materie identifizierte. Die Forscher haben mit Röntgenstrahlen gemessen, wie sich Spins (blaue Pfeile) bewegen, wenn sie gestört werden, und konnten zeigen, dass sie in der Länge in dem oben dargestellten Muster oszillieren. Dieses spezielle Verhalten tritt auf, weil die Menge an elektrischer Ladung an jeder Stelle (dargestellt als gelbe Scheiben) ebenfalls variieren kann und der Fingerabdruck ist, der verwendet wird, um das neuartige Verhalten festzunageln. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory
„Vor sechzig Jahren fingen Physiker gerade an, darüber nachzudenken, wie die Regeln der Quantenmechanik auf die elektronischen Eigenschaften von Materialien anzuwenden sind“, sagte Daniel Mazzone, ein ehemaliger Physiker des Brookhaven Lab, der die Studie leitete und jetzt am Paul Scherrer Institut in der Schweiz arbeitet. „Sie versuchten herauszufinden, was passiert, wenn man die elektronische „Energielücke“ zwischen einem Isolator und einem Leiter immer kleiner macht. Verwandeln Sie einfach einen einfachen Isolator in ein einfaches Metall, in dem sich die Elektronen frei bewegen können, oder passiert etwas Interessanteres?“
Die Vorhersage war, dass man unter bestimmten Bedingungen etwas Interessanteres bekommen könnte: nämlich den gerade vom Brookhaven-Team entdeckten „antiferromagnetischen exzitonischen Isolator“.
Warum ist dieses Material so exotisch und interessant? Lassen Sie uns zum Verständnis in diese Begriffe eintauchen und untersuchen, wie sich dieser neue Zustand der Materie bildet.
In einem Antiferromagneten sind die magnetischen Polarisationsachsen (Spins) der Elektronen benachbarter Atome in abwechselnde Richtungen ausgerichtet: nach oben, unten, oben, unten und so weiter. Auf der Skala des gesamten Materials heben sich diese alternierenden inneren magnetischen Orientierungen gegenseitig auf, was zu keinem Nettomagnetismus des gesamten Materials führt. Solche Materialien können schnell zwischen verschiedenen Zuständen umgeschaltet werden. Sie sind auch resistent gegen Informationsverluste aufgrund von Störungen durch externe Magnetfelder. Diese Eigenschaften machen antiferromagnetische Materialien für moderne Kommunikationstechnologien attraktiv.
Zu den Mitgliedern des Forschungsteams gehören: Daniel Mazzone (ehemals Brookhaven Lab, jetzt am Paul Scherrer Institut in der Schweiz), Yao Shen (Brookhaven Lab), Gilberto Fabbris (Argonne National Laboratory), Hidemaro Suwa (University of Tokyo und University of Tennessee). ), Hu Miao (Oak Ridge National Laboratory—ORNL), Jennifer Sears* (Brookhaven Lab), Jian Liu (U Tennessee), Christian Batista (U Tennessee und ORNL) und Mark Dean (Brookhaven Lab). Quelle: Verschiedene Quellen, darunter *DESY, Marta Mayer
Als nächstes haben wir Exzitonik. Exzitonen entstehen, wenn bestimmte Bedingungen es Elektronen ermöglichen, sich zu bewegen und stark miteinander zu interagieren, um gebundene Zustände zu bilden. Elektronen können auch gebundene Zustände mit „Löchern“ bilden, den Leerstellen, die zurückbleiben, 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 Anziehungskräfte angetrieben, die stark genug sind, um die Abstoßungskraft zwischen den zwei gleich geladenen Teilchen zu überwinden. Im Fall von Elektron-Loch-Wechselwirkungen muss die Anziehung stark genug sein, um die „Energielücke“ des Materials zu überwinden, eine Eigenschaft eines Isolators.
„Ein Isolator ist das Gegenteil eines Metalls; Es ist ein Material, das keinen Strom leitet“, sagte Dean. Elektronen im Material bleiben im Allgemeinen in einem niedrigen oder „Grund“-Energiezustand. „Die Elektronen sind alle an Ort und Stelle gestaut, wie Menschen in einem gefüllten Amphitheater; sie können sich nicht bewegen“, sagte er. Um die Elektronen in Bewegung zu versetzen, muss man ihnen einen Energieschub geben, der groß genug ist, um eine charakteristische Lücke zwischen dem Grundzustand und einem höheren Energieniveau zu überwinden.
Unter ganz besonderen Umständen kann der Energiegewinn durch magnetische Elektron-Loch-Wechselwirkungen die Energiekosten für Elektronen, die über die Energielücke springen, aufwiegen.
Dank fortschrittlicher Techniken können Physiker nun diese besonderen Umstände untersuchen, um zu erfahren, wie der antiferromagnetische exzitonische Isolatorzustand entsteht.
Ein kollaboratives Team arbeitete mit einem Material namens Strontium-Iridium-Oxid (Sr3Ir2Ö7), der bei hohen Temperaturen nur noch schwach isoliert. Daniel Mazzone, Yao Shen (Brookhaven Lab), Gilberto Fabbris (Argonne National Laboratory) und Jennifer Sears (Brookhaven Lab) verwendeten Röntgenstrahlen an der Advanced Photon Source – einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science am Argonne National Laboratory – um die zu messen magnetische Wechselwirkungen und die damit verbundenen Energiekosten von sich bewegenden Elektronen. Jian Liu und Junyi Yang von der University of Tennessee and Argonne, Wissenschaftler Mary Upton und Diego Casa, leisteten ebenfalls wichtige Beiträge.
Das Team begann seine Untersuchung bei hoher Temperatur und kühlte das Material allmählich ab. Beim Abkühlen verengte sich die Energielücke allmählich. Bei 285 Kelvin (etwa 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