科学者たちは物質の奇妙な磁気状態を発見しました

科学者たちは、60年近くの間、長い間求められていた磁気状態を特定してきました。

米国エネルギー省のブルックヘブン国立研究所の科学者たちは、「耐磁性励起子絶縁体」と呼ばれる、この材料の待望の磁気状態を発見しました。

ブルックヘブン研究所の物理学者であり、出版されたばかりの研究を説明する論文の上級著者であるマークディーン ネイチャーコミュニケーションズ。 「私たちの周りの非常に多くの技術の中核に磁性材料があるため、新しいタイプの磁石は基本的に魅力的であり、将来のアプリケーションに有望です。」

新しい磁気状態には、層状材料内の電子間の強力な磁気引力が含まれ、電子が磁気モーメントまたは「スピン」を規則的な「反磁性」パターンで上から下に配置するようにします。 このような反強磁性のアイデアは、物理学者が金属、半導体、および絶縁体のさまざまな特性を発見した1960年代に、絶縁体のねじれた電子結合によって最初に予測されました。

チームが資料のこの歴史的段階をどのように特定したかについてのアーティストの印象。 研究者らは、X線を使用して、棘が乱れているときに棘（青い矢印）がどのように動くかを測定し、上記のパターンで長さが振動していることを示すことができました。 この特定の動作は、各場所（黄色のディスクとして表示）の電荷量も変化する可能性があり、新しい動作を決定するために使用される指紋であるために発生します。 クレジット：ブルックヘブン国立研究所

「60年前、物理学者は量子力学の規則を材料の電子特性に適用する方法を検討し始めたところです」と、研究を主導し、現在はスイスのポールシェラー研究所にいる元ブルックヘブン研究所の物理学者ダニエルマゾンは述べています。スイス。 「彼らは、絶縁体と導体の間の電子の「エネルギーギャップ」をどんどん小さくするとどうなるかを理解しようとしていました。単純な絶縁体を、電子が自由に動くことができる単純な金属に変えるだけですか、それとももっと面白いことが起こります。 ？」

特定の条件下では、ブルックヘブンのチームによって発見されたばかりの「反強磁性励起」という、より興味深いものが得られることが期待されていました。

なぜこの記事はとても奇妙で面白いのですか？ それを理解するために、これらの用語を掘り下げて、この新しい物質の状態がどのように形成されるかを調べてみましょう。

反強磁性体では、隣接する原子の電子は、上、下、上、下などの交互の方向に磁化（スピン）の軸を持っています。 材料全体のスケールでは、これらの交互の内部磁気方向は互いに打ち消し合い、骨材の正味の磁性は生じません。 これらの資料は、異なる状態間ですばやく交換できます。 また、外部磁場からの干渉による情報損失にも耐えます。 これらの特性により、耐磁性材料は現代の通信技術にとって魅力的なものになっています。

研究チームのメンバーには、ダニエル・マッゾーニ（元ブルックヘブン研究所、現在はスイスのポール・シェラー研究所）、ヤオ・シェン（ブルックヘブン研究所）、ギルベルト・ファブリス（アルゴンヌ国立研究所）、諏訪英真郎（東京大学およびテネシー大学）、 Ho Miu（オークリッジ国立研究所-ORNL）、Jennifer Sears *（ブルックヘブン研究所）、Jian Liu（U-TN）、Christian Batista（U-TNおよびORNL）、Mark Dean（ブルックヘブン研究所）。 クレジット：* DESY、MartaMeyerを含むさまざまなソース

次に、励起子があります。 励起子は、特定の条件によって電子が動き回り、互いに激しく相互作用して束縛状態を形成するときに発生します。 電子は、「ホール」に関連する状態を形成することもあります。これは、電子が材料内の異なる位置またはエネルギーレベルにジャンプしたときに残る空孔です。 電子-電子相互作用の場合、結合は、2つの同様の粒子間の反発力に打ち勝つために十分に強い磁気引力によって駆動されます。 電子正孔相互作用の場合、引力は、絶縁体の特性である材料の「エネルギーギャップ」を克服するのに十分な強さでなければなりません。

「絶縁体は金属の反対であり、電気を通さない材料です。材料内の電子は通常、低エネルギーまたは「基底」状態のままです。「すべての電子が詰め込まれています。完全な円形劇場の人々のように、所定の位置に。 彼は言った。 電子を動かすには、基底状態とより高いエネルギーレベルの間の特徴的なギャップを克服するのに十分な大きさのエネルギーブーストを電子に与える必要があります。

非常に特殊な状況では、磁気電子正孔相互作用からのエネルギー利得が、エネルギー正孔を飛び越える電子のエネルギーコストを上回る可能性があります。

現在、高度な技術のおかげで、物理学者はこれらの特別な条件を調べて、反強磁性の軸索絶縁体の状態がどのように見えるかを確認できます。

共同チームは、ストロンチウムイリジウムオキシド（Sr.）と呼ばれる材料を使用して作業しました。₃赤外線₂a₇）、高温ではほとんど絶縁体ではありません。 Daniel Mazon、Yao Shen（ブルックヘブン研究所）、Gilberto Fabrice（アルゴンヌ国立研究所）、およびJennifer Sears（ブルックヘブン研究所）は、アルゴンヌ国立研究所のエネルギー省科学局のユーザー施設であるAdvanced PhotonSourceでX線を使用しました。 —移動する電子に関連する磁気相互作用とエネルギーコストを測定します。 テネシー大学のJianLiuとJohnnyYang、およびアルゴンヌの科学者であるMaryUptonとDiegoCasaも重要な貢献をしました。

チームは高温で調査を開始し、徐々に材料を冷却しました。 冷却に伴い、電力ギャップは徐々に狭くなりました。 285 K（約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