과학자들은 오랫동안 기다려온 물질의 자기 상태를 발견했습니다.

거의 60년 동안 물리학자들은 절연체와 도체 사이의 전자 에너지 격차가 점점 작아지면 어떻게 되는지에 관심을 가져왔습니다. 단순한 절연체를 전자가 자유롭게 움직일 수 있는 단순한 금속으로 바꾸시겠습니까, 아니면 더 흥미로운 일이 일어나겠습니까? 물리학자들은 특정 조건에서 이것이 훨씬 더 흥미로운 것으로 이어질 것이라고 예측했습니다. 즉, 반강자성 여기자 절연체, 물질의 상태.

미국 에너지부(Department of Energy)의 브룩헤이븐 국립 연구소(Brookhaven National Laboratory)의 과학자들은 이 자기 상태의 물질(반강자성 여기자 절연체)을 발견했습니다. 이것은 층상 물질의 전자 사이에 강한 자기 인력을 포함하는 새로운 유형의 자석입니다. 이것은 전자가 위에서 아래로 규칙적인 “반자성” 패턴으로 자기 모멘트 또는 “스핀”을 배열하도록 합니다.

무엇이 이 자료를 그렇게 이상하고 흥미롭게 만드는가?

반강자성체의 인접 원자에 있는 전자는 위아래, 위아래 등의 교번 방향으로 자기 분극 축(스핀)을 갖습니다. 전체 재료의 규모에서 내부 자기 방향이 서로 균형을 이루므로 골재 재료의 순 자기가 발생하지 않습니다.

이러한 유형의 재료는 다른 상태 간에 빠르게 교환할 수 있습니다. 그들은 외부 자기장의 간섭으로 인한 정보 손실에 저항합니다. 이러한 특성은 항자성 재료 현대 통신 기술에 매력적입니다.

엑시톤은 특정 조건에서 전자가 이동하고 확실하게 결합하여 결합 상태를 형성하도록 허용할 때 나타납니다. 유사하게, 전자는 “정공”과 관련된 상태를 형성할 수 있으며, 이는 전자가 물질의 다른 위치 또는 에너지 수준으로 점프할 때 남겨지는 공석입니다. 전자가 상호 작용할 때 강한 자기 인력이 결합을 밀어냅니다. 전자가 정공과 상호작용할 때 인력은 절연체의 특성인 재료의 “에너지 갭”을 극복할 수 있을 정도로 강력해야 합니다.

Brookhaven 연구소의 물리학자이자 이 논문의 주저자인 Mark Dean은 다음과 같이 말했습니다. “절연체는 금속의 반대입니다. 그것은 전기를 전도하지 않는 물질입니다. 물질의 전자는 일반적으로 저에너지 또는 “접지” 상태로 남아 있습니다. 모든 전자는 사람처럼 제자리에 빽빽이 들어차 있습니다. 완전한 원형 극장, 그들은 움직일 수 없습니다.”

“전자가 움직이도록 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 상호작용으로 인한 에너지 이득은 에너지 정공을 통해 점프하는 전자의 에너지 비용보다 클 수 있습니다.”

이 연구에서 과학자들은 최신 기술을 사용하여 이러한 특수 조건을 탐색했습니다. 그들의 목표는 반강자성 축삭 절연체 상태의 모양을 결정하는 것이었습니다.

그들은 스트론튬 이리듐 산화물이라는 물질을 연구하고 확인했습니다. 나중에 고급 광자 소스에서 X선을 사용합니다. 그들은 자기 상호작용과 움직이는 전자와 관련된 에너지 비용을 측정했습니다.

연구팀은 고온에서 조사를 시작했고 점차적으로 재료를 냉각시켰다. 냉각과 함께 전력 격차는 꾸준히 좁혀졌습니다. 전자는 285K(화씨 53도)에서 재료의 자성층 사이를 점프하기 시작했습니다. 그들은 남겨둔 구멍과 관련된 쌍을 즉시 형성했으며 동시에 이웃 전자 스핀의 반자성 정렬을 해제했습니다.

몇 가지 계산 후에 그들은 예측된 반강자성 축성 절연체의 개념을 사용하여 모델을 개발했습니다. 모델은 실험 결과를 포괄적으로 설명합니다.

Yao Shen(브룩헤이븐 연구소) 그는 말했다그리고 “X-선을 사용하여 우리는 전자와 정공 사이의 인력으로 인한 결합이 전자가 밴드갭을 뛰어 넘을 때보다 더 많은 에너지를 반환한다는 것을 관찰했습니다. 이 과정이 에너지를 절약하기 때문에 모든 전자가 그렇게 하기를 원합니다. 그러면 결국 , 전자가 전이를 일으켰습니다. , 물질은 전자와 스핀의 일반적인 배열 측면에서 고온 상태와 다른 것으로 보입니다. 새로운 구성은 결합된 쌍이 생성하는 동안 반자성 패턴으로 전자 스핀의 배열을 포함합니다. “닫힌” 절연 상태.

저널 참조:

1. DJ Matzon, Y. Shen, H. Sawa, J. Fabrice, Jiyang, S.-S. Zhang, H. Miao, J. Sears, Kee Jia, Y. J. Shi, M.H. Upton, DM Casa, X-Liu, Jian Liu, CD Batista, MPM Dean. Sr3Ir2O7에서 반강자성 여기자 절연체의 상태. 네이처 커뮤니케이션즈, 2022; 13 (1) DOI: 10.1038 / s41467-022-28207-w