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研究人员提出了物质外来磁相的证据

2022-02-23 22:30     来源:国家实验室     反铁磁激子绝缘体 X射线

美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学家们发现了一种长期预测的物质磁性状态,称为“反铁磁激子绝缘体”。

“从广义上讲,这是一种新型磁铁,”布鲁克海文实验室的物理学家马克·迪恩说,他是一篇描述刚刚发表在《自然通讯》上的研究的论文的资深作者。“由于磁性材料是我们周围许多技术的核心,新型磁体从根本上来说既令人着迷,又在未来的应用中充满希望。”

新的磁性状态涉及分层材料中电子之间的强磁吸引力,这使得电子想要将它们的磁矩或“旋转”排列成规则的上下“反铁磁”模式。这种反铁磁性可以由绝缘材料中古怪的电子耦合驱动的想法在 1960 年代首次被预测,当时物理学家探索了金属、半导体和绝缘体的不同特性。

“六十年前,物理学家才刚刚开始考虑量子力学规则如何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 Mazzone 说,他现在在瑞士的保罗谢勒研究所工作。“他们试图弄清楚当你使绝缘体和导体之间的电子‘能隙’越来越小时会发生什么。你只是把一个简单的绝缘体变成一个电子可以自由移动的简单金属,还是会有更有趣的事情发生?"

预测是,在某些条件下,你可以得到更有趣的东西:即布鲁克海文团队刚刚发现的“反铁磁激子绝缘体”。

为什么这种材料如此奇特和有趣?为了理解,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,相邻原子上的电子的磁极化(自旋)轴沿交替方向排列:向上、向下、向上、向下等。在整个材料的尺度上,那些交替的内部磁性方向相互抵消,导致整个材料没有净磁性。这种材料可以在不同状态之间快速切换。它们还可以抵抗由于外部磁场干扰而丢失的信息。这些特性使反铁磁材料对现代通信技术具有吸引力。

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。电子还可以与“空穴”形成束缚态,空穴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,结合是由强大到足以克服两个带电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。材料中的电子通常处于低能态或“基态”能态。“电子都被卡在原地,就像人们在一个装满人的圆形剧场里一样;它们不能移动。”他说。为了让电子移动,你必须给它们一个足够大的能量提升,以克服基态和更高能级之间的特征差距。

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能超过电子跨越能隙的能量成本。

现在,借助先进的技术,物理学家可以探索这些特殊情况,以了解反铁磁激子绝缘体状态是如何出现的。

一个合作团队使用了一种叫做锶铱氧化物 (Sr 3 Ir 2 O 7 ) 的材料,这种材料在高温下几乎没有绝缘性。Daniel Mazzone、Yao Shen(布鲁克海文实验室)、Gilberto Fabbris(阿贡国家实验室)和 Jennifer Sears(布鲁克海文实验室)使用先进光子源(位于阿贡国家实验室的美国能源部科学办公室用户设施)的 X 射线来测量移动电子的磁相互作用和相关的能量成本。田纳西大学的刘健和杨俊一以及阿贡的科学家玛丽厄普顿和迭戈卡萨也做出了重要贡献。

该团队在高温下开始研究并逐渐冷却材料。随着冷却,能隙逐渐缩小。在 285 开尔文(约 53 华氏度),电子开始在材料的磁性层之间跳跃,但立即与它们留下的空穴形成束缚对,同时触发相邻电子自旋的反铁磁排列。田纳西大学的 Hidemaro Suwa 和 Christian Batista 进行了计算,利用预测的反铁磁激子绝缘体的概念开发了一个模型,并表明该模型全面解释了实验结果。

“使用 X 射线,我们观察到由电子和空穴之间的吸引力引发的结合实际上比电子跳过带隙时返回的能量更多,”沈尧解释说。“因为这个过程节省了能量,所以所有的电子都想这样做。然后,当所有的电子都完成了跃迁之后,从电子和自旋的整体排列来看,材料看起来与高温状态有所不同。新的配置涉及电子自旋以反铁磁模式排列,而束缚对则产生“锁定”绝缘状态。”

反铁磁激子绝缘体的鉴定完成了探索电子选择在材料中排列自身的迷人方式的漫长旅程。将来,了解此类材料中自旋和电荷之间的联系可能有可能实现新技术。

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