Para ilmuwan telah menemukan keadaan magnet yang aneh dari materi

Para ilmuwan mengidentifikasi keadaan magnet yang telah lama dicari selama hampir 60 tahun.

Para ilmuwan di Laboratorium Nasional Brookhaven Departemen Energi AS telah menemukan keadaan magnet yang telah lama ditunggu-tunggu dari bahan yang disebut “isolator eksitonik antimagnet”.

Mark Dean, fisikawan di Brookhaven Lab dan penulis senior makalah yang menjelaskan penelitian yang baru saja diterbitkan di Komunikasi Alam. “Dengan bahan magnetik sebagai inti dari begitu banyak teknologi di sekitar kita, jenis magnet baru pada dasarnya menarik dan menjanjikan untuk aplikasi masa depan.”

Keadaan magnet baru melibatkan daya tarik magnet yang kuat antara elektron dalam bahan berlapis yang menyebabkan elektron ingin mengatur momen magnetiknya, atau “berputar,” dalam pola “antimagnetik” yang teratur dari atas ke bawah. Gagasan antiferromagnetisme semacam itu pertama kali diprediksi oleh kopling elektron terpelintir dalam isolator pada 1960-an ketika fisikawan menemukan berbagai sifat logam, semikonduktor, dan isolator.

Kesan seniman tentang bagaimana tim mengidentifikasi fase historis materi ini. Para peneliti menggunakan sinar-X untuk mengukur bagaimana spinules (panah biru) bergerak ketika mereka bergolak dan mampu menunjukkan bahwa mereka berosilasi panjang dalam pola yang ditunjukkan di atas. Perilaku khusus ini terjadi karena jumlah muatan listrik di setiap lokasi (ditunjukkan sebagai cakram kuning) juga dapat bervariasi dan merupakan sidik jari yang digunakan untuk menentukan perilaku baru. Kredit: Laboratorium Nasional Brookhaven

“Enam puluh tahun yang lalu, fisikawan baru mulai melihat bagaimana menerapkan aturan mekanika kuantum pada sifat elektronik bahan,” kata Daniel Mazon, mantan fisikawan Laboratorium Brookhaven yang memimpin penelitian dan sekarang di Institut Paul Scherer di Swiss. “Mereka mencoba mencari tahu apa yang terjadi ketika Anda membuat ‘celah energi’ elektronik antara isolator dan konduktor semakin kecil. Apakah Anda hanya mengubah isolator sederhana menjadi logam sederhana di mana elektron dapat bergerak bebas, atau sesuatu yang lebih menarik terjadi? ?”

Harapannya adalah, dalam kondisi tertentu, Anda bisa mendapatkan sesuatu yang lebih menarik: “eksitasi antiferromagnetik” yang baru saja ditemukan oleh tim Brookhaven.

Mengapa artikel ini begitu aneh dan menarik? Untuk memahaminya, mari selami istilah-istilah ini dan jelajahi bagaimana wujud materi baru ini terbentuk.

Dalam antiferromagnet, elektron pada atom tetangga memiliki sumbu polarisasi magnetik (berputar) dalam arah bolak-balik: atas, bawah, atas, bawah, dan seterusnya. Pada skala keseluruhan material, arah magnet internal bolak-balik ini saling meniadakan, sehingga tidak ada magnetisme bersih dari material agregat. Bahan-bahan ini dapat dengan cepat ditukar di antara keadaan yang berbeda. Ini juga menahan kehilangan informasi karena gangguan dari medan magnet eksternal. Sifat-sifat ini membuat bahan antimagnetik menarik bagi teknologi komunikasi modern.

Anggota tim peneliti meliputi: Daniel Mazon (sebelumnya dari Brookhaven Lab, sekarang di Institut Paul Scherrer di Swiss), Yao Shen (Brookhaven Lab), Gilberto Fabbris (Laboratorium Nasional Argonne), Hidemaro Suwa (University of Tokyo dan University of Tennessee), Ho Miu (Oak Ridge National Laboratory-ORNL), Jennifer Sears* (Brookhaven Lab), Jian Liu (U-TN), Christian Batista (U-TN dan ORNL), dan Mark Dean (Brookhaven Lab). Kredit: Berbagai sumber termasuk *DESY, Marta Meyer

Selanjutnya kita memiliki excitonic. Excitons muncul ketika kondisi tertentu memungkinkan elektron untuk bergerak dan berinteraksi dengan kuat satu sama lain untuk membentuk keadaan terikat. Elektron juga dapat membentuk keadaan yang terkait dengan “lubang”, yang merupakan kekosongan yang tersisa ketika elektron melompat ke posisi atau tingkat energi yang berbeda dalam suatu material. Dalam kasus interaksi elektron-elektron, ikatan didorong oleh gaya tarik magnet yang cukup kuat untuk mengatasi gaya tolak-menolak antara dua partikel sejenis. Dalam kasus interaksi elektron-lubang, daya tarik harus cukup kuat untuk mengatasi “celah energi” dalam bahan, karakteristik isolator.

“Isolator adalah kebalikan dari logam; itu adalah bahan yang tidak menghantarkan listrik,” kata Dean. “Elektron dalam bahan umumnya tetap dalam keadaan energi rendah, atau “tanah”. Semua elektron dijejalkan ke tempatnya, seperti orang-orang di amfiteater penuh; Dia berkata. Untuk memindahkan elektron, Anda harus memberi mereka dorongan energi yang cukup besar untuk mengatasi kesenjangan karakteristik antara keadaan dasar dan tingkat energi yang lebih tinggi.

Dalam keadaan yang sangat khusus, perolehan energi dari interaksi lubang elektron magnetik dapat melebihi biaya energi elektron yang melompat melalui lubang energi.

Sekarang, berkat teknologi canggih, fisikawan dapat menjelajahi kondisi khusus tersebut untuk melihat bagaimana keadaan isolator aksitonik antiferromagnetik mungkin muncul.

Sebuah tim kolaboratif bekerja menggunakan bahan yang disebut strontium iridium oxide (Sr.).₃Inframerah₂Sebuah₇), yang bukan merupakan isolator pada suhu tinggi. Daniel Mazzoni, Yao Shen (Laboratorium Brookhaven), Gilberto Fabrice (Laboratorium Nasional Argonne), dan Jennifer Sears (Laboratorium Brookhaven) menggunakan sinar-X di Sumber Foton Lanjutan—fasilitas pengguna dari Kantor Ilmu Pengetahuan Departemen Energi di Laboratorium Nasional Argonne —untuk mengukur interaksi magnetik dan biaya energi yang terkait dengan elektron yang bergerak. Jian Liu dan Johnny Yang dari University of Tennessee dan ilmuwan Argonne Mary Upton dan Diego Casa juga memberikan kontribusi penting.

Tim memulai penyelidikan mereka pada suhu tinggi dan secara bertahap mendinginkan material. Dengan pendinginan, kesenjangan daya secara bertahap menyempit. pada 285 K (sekitar 53 derajat[{” 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