과학자들은 물질의 이상한 자기 상태를 발견했습니다

과학자들은 거의 60년 동안 오랫동안 추구해 온 자기 상태를 확인했습니다.

미국 에너지부(Department of Energy)의 브룩헤이븐 국립 연구소(Brookhaven National Laboratory)의 과학자들은 “항자성 여기자 절연체(antimagnetic excitonic insulator)”라고 불리는 물질의 오랫동안 기대했던 자기 상태를 발견했습니다.

Brookhaven 연구소의 물리학자이자 2010년 네이처 커뮤니케이션즈. “우리 주변에 있는 많은 기술의 핵심에 자성 재료가 있는 경우 새로운 유형의 자석은 근본적으로 매력적이며 미래 응용 분야에 유망합니다.”

새로운 자기 상태는 전자가 위에서 아래로 규칙적인 “반자성” 패턴으로 자기 모멘트 또는 “스핀”을 배열하기를 원하도록 하는 적층 물질의 전자 사이에 강한 자기 인력을 포함합니다. 이러한 반강자성에 대한 아이디어는 물리학자들이 금속, 반도체 및 절연체의 서로 다른 특성을 발견한 1960년대에 절연체에서 꼬인 전자 결합에 의해 처음 예측되었습니다.

팀이 재료의 이 역사적 단계를 식별한 방법에 대한 아티스트의 인상입니다. 연구원들은 난류일 때 가시 가시(파란색 화살표)가 어떻게 움직이는지 측정하기 위해 X선을 사용했으며 위에 표시된 패턴에서 길이가 진동함을 보여줄 수 있었습니다. 이 특정 동작은 각 위치(노란색 디스크로 표시)의 전하량도 다를 수 있고 새로운 동작을 결정하는 데 사용되는 지문이기 때문에 발생합니다. 크레딧: Brookhaven 국립 연구소

“60년 전, 물리학자들은 물질의 전자적 특성에 양자 역학의 규칙을 적용하는 방법을 막 보기 시작했습니다.”라고 브룩헤이븐 연구소의 전 물리학자이자 현재 폴 셰러 연구소(Paul Scherer Institute)에 있는 다니엘 메이존(Daniel Mazon)은 말했습니다. 스위스. “그들은 절연체와 도체 사이의 전자적 ‘에너지 갭’을 점점 더 작게 만들 때 어떤 일이 일어나는지 알아내려고 했습니다. 단순한 절연체를 전자가 자유롭게 이동할 수 있는 단순한 금속으로 바꾸는 것입니까, 아니면 더 흥미로운 일이 일어납니다. ?”

특정 조건에서 더 흥미로운 것을 얻을 수 있을 것으로 기대했습니다. 바로 Brookhaven 팀이 발견한 “반강자성 여기”입니다.

이 기사가 왜 그렇게 이상하고 흥미로운가요? 이를 이해하기 위해 이러한 용어를 자세히 살펴보고 이 새로운 물질 상태가 어떻게 형성되는지 살펴보겠습니다.

반강자성체에서 인접 원자의 전자는 위, 아래, 위, 아래 등의 교번 방향으로 자기 분극(스핀) 축을 갖습니다. 전체 재료의 규모에서 이러한 교번하는 내부 자기 방향은 서로 상쇄되어 골재 재료의 순 자기가 발생하지 않습니다. 이러한 재료는 서로 다른 상태 간에 빠르게 교환할 수 있습니다. 또한 외부 자기장의 간섭으로 인한 정보 손실에 강합니다. 이러한 특성은 항자성 재료를 현대 통신 기술에 매력적으로 만듭니다.

연구팀 구성원: Daniel Mazon(구 Brookhaven Lab, 현재 스위스 Paul Scherrer Institute), Yao Shen(Brookhaven Lab), Gilberto Fabbris(Argonne 국립 연구소), Hidemaro Suwa(도쿄 대학 및 테네시 대학), Ho Miu(Oak Ridge National Laboratory-ORNL), Jennifer Sears*(Brookhaven Lab), Jian Liu(U TN), Christian Batista(U TN 및 ORNL), Mark Dean(Brookhaven Lab). 출처: *DESY, Marta Meyer 등 다양한 출처

다음으로 excitonic이 있습니다. 엑시톤은 특정 조건에서 전자가 이동하고 서로 강하게 상호 작용하여 결합 상태를 형성할 수 있을 때 발생합니다. 전자는 또한 전자가 물질의 다른 위치 또는 에너지 수준으로 점프할 때 남겨진 공석인 “정공”과 관련된 상태를 형성할 수 있습니다. 전자-전자 상호작용의 경우, 결합은 두 개의 유사한 입자 사이의 반발력을 극복할 만큼 충분히 강한 자기 인력에 의해 구동됩니다. 전자-정공 상호작용의 경우, 인력은 절연체의 특성인 재료의 “에너지 갭”을 극복할 수 있을 만큼 충분히 강해야 합니다.

Dean은 “절연체는 금속의 반대이며 전기를 전도하지 않는 물질입니다. 물질의 전자는 일반적으로 저에너지 또는 “접지” 상태로 남아 있습니다. “모든 전자가 채워져 있습니다. 완전한 원형 극장에 있는 사람들처럼 제자리에; 그는 말했다. 전자를 움직이게 하려면 바닥 상태와 더 높은 에너지 준위 사이의 특성 차이를 극복할 수 있을 만큼 충분히 큰 에너지 부스트를 주어야 합니다.

매우 특별한 상황에서 자기 전자-정공 상호 작용으로 인한 에너지 이득은 에너지 정공을 통해 점프하는 전자의 에너지 비용보다 클 수 있습니다.

이제 고급 기술 덕분에 물리학자들은 이러한 특수 조건을 탐색하여 반강자성 축삭 절연체의 상태가 어떻게 나타날 수 있는지 확인할 수 있습니다.

공동 팀은 스트론튬 이리듐 산화물(Sr.)이라는 물질을 사용하여 작업했습니다._삼적외선₂ㅏ₇), 이는 고온에서 절연체가 거의 되지 않습니다. Daniel Mazzoni, Yao Shen(Brookhaven 연구소), Gilberto Fabrice(Argonne 국립 연구소) 및 Jennifer Sears(Brookhaven 연구소)는 Argonne 국립 연구소 에너지부 과학실의 사용자 시설인 Advanced Photon Source에서 X선을 사용했습니다. — 움직이는 전자와 관련된 자기 상호 작용 및 에너지 비용을 측정합니다. 테네시 대학교의 Jian Liu와 Johnny Yang과 아르곤 학자인 Mary Upton과 Diego Casa도 중요한 공헌을 했습니다.

연구팀은 고온에서 조사를 시작했고 점차적으로 재료를 냉각시켰다. 냉각으로 전력 격차가 점차 좁혀졌습니다. 285K(약 53도)에서[{” 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