Исследователи Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США обнаружили предсказанное почти 60 лет назад магнитное состояние вещества, называемое «антиферромагнитный экситонный изолятор».
Новое магнитное состояние включает в себя сильное магнитное притяжение между электронами в слоистом материале, которое заставляет электроны выстраивать спины в регулярный «антиферромагнитный узор» вверх-вниз. Такой антиферромагнетизм может быть обусловлен причудливой электронной связью в изоляционном материале. Впервые эта связь была предсказана в 1960-х годах, когда физики исследовали различные свойства металлов, полупроводников и изоляторов.
«Шестьдесят лет назад физики только начали задумываться о том, как правила квантовой механики применяются к электронным свойствам материалов. Они пытались выяснить, что происходит, когда электронный «энергетический зазор» между изолятором и проводником становится все меньше и меньше. Возникает вопрос: мы просто превратим простой изолятор в металл, в котором электроны могут свободно двигаться, или случится что-то более интересное?», — рассказал ученый Даниэль Маццоне.
Было предсказано, что при определенных условиях можно получить «антиферромагнитный экситонный изолятор» — именно тот, который и обнаружила сейчас команда из Брукхейвена.
Ученые рассказали, чем именно этот материал так экзотичен и интересен.
В антиферромагнетике оси магнитной поляризации (спины) электронов на соседних атомах ориентированы в чередующихся направлениях: вверх, вниз, вверх, вниз и так далее. В масштабе всего материала эти чередующиеся внутренние магнитные ориентации компенсируют друг друга, что приводит к отсутствию чистого магнетизма всего материала. Такие материалы можно быстро переключать между различными состояниями. Они также устойчивы к потере информации из-за помех от внешних магнитных полей. Эти свойства делают антиферромагнитные материалы привлекательными для современных технологий связи.
Экситоны.
Экситоны возникают, когда определенные условия позволяют электронам двигаться и сильно взаимодействовать друг с другом, образуя связанные состояния. Электроны также могут образовывать связанные состояния с «дырками» — пустыми пространствами, остающимися после того, как электроны переходят на другое положение или энергетический уровень в материале. В случае «электрон-электронных» взаимодействий связь обусловлена магнитным притяжением — достаточно сильным, чтобы преодолеть силу отталкивания между двумя одноименно заряженными частицами. В случае «электронно-дырочных» — притяжение должно быть достаточно сильным, чтобы преодолеть «энергетическую щель» материала, характерную для изолятора.
«Изолятор — это противоположность металла. Это материал, который не проводит электричество. Электроны в материале обычно остаются в низком, или “основном”, энергетическом состоянии. Все электроны будто застревают на месте, как люди в заполненном автобусе. Чтобы заставить электроны двигаться, вы должны дать им заряд энергии, достаточный для преодоления характерного разрыва между основным состоянием и более высоким энергетическим уровнем», — рассказал физик Марк Дин.
В очень особых обстоятельствах выигрыш в энергии от магнитных «электронно-дырочных» взаимодействий может перевесить затраты энергии на электроны, «перепрыгивающие» через «энергетическую щель».
Теперь, благодаря передовым методам, физики могут исследовать эти особые обстоятельства, чтобы узнать, как возникает состояние антиферромагнитного экситонного изолятора.
Команда начала свои исследования при высокой температуре и постепенно охлаждала материал. По мере охлаждения, энергетический зазор постепенно сужался. При 285 Кельвинах (около 53 градусов по Фаренгейту ) электроны начали «прыгать» между магнитными слоями материала, но сразу же образовали связанные пары с оставленными ими «дырками», одновременно запуская антиферромагнитное выравнивание соседних электронных спинов.
«С помощью рентгеновских лучей мы заметили, что связывание, вызванное притяжением между электронами и “дырками”, на самом деле возвращает больше энергии, чем когда электрон перепрыгивает через запрещенную зону», — объяснил один из авторов работы Яо Шен.
Идентификация антиферромагнитного экситонного изолятора завершает долгий путь изучения захватывающих способов, которыми электроны выбирают расположение в материалах. В будущем понимание связи между спином и зарядом в таких материалах может иметь потенциал для реализации новых технологий.
Читать далее
Астрономы нашли новый объект Солнечной системы за орбитой Нептуна
Впервые составлена полная карта человеческого кишечника
Появилась батарея размером с крупицу соли. Она может питать устройства 10 часов