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科学者たちは物質のエキゾチックな磁気状態を発見しました

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(oneechanblog) – 科学者たちは、60年近く前に予測された長い間求められていた磁気状態を特定します。

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、「反強磁性励起子絶縁体」と呼ばれる、長い間予測されていた物質の磁気状態を発見しました。

「大まかに言えば、これは新しいタイプの磁石です」と、ブルックヘブン研究所の物理学者であるマークディーンは、 ネイチャーコミュニケーションズ。 「磁性材料は私たちの周りの技術の多くの中心にあるので、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、電子は磁気モーメントまたは「スピン」を規則的な上下の「反強磁性」パターンに配置する必要があります。 このような反強磁性が絶縁材料の奇妙な電子結合によって引き起こされる可能性があるという考えは、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調査した1960年代に最初に予測されました。

チームがこの歴史的な物質の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。 研究者たちは、X線を使用して、スピン(青い矢印)が乱されたときに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。 この特別な動作は、各サイトの電荷量(黄色のディスクとして表示)も変化する可能性があり、新しい動作を特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が材料の電子特性にどのように適用されるかを検討し始めたところです」と、研究を主導し、現在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ーネは述べています。 「彼らは、絶縁体と導体の間の電子的な「エネルギーギャップ」をどんどん小さくしていくとどうなるかを解明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か?」

予測では、特定の条件下で、より興味深いもの、つまり、ブルックヘブンチームによって発見されたばかりの「反強磁性励起子絶縁体」を得ることができるというものでした。

なぜこの素材はとてもエキゾチックで面白いのですか? 理解するために、これらの用語を詳しく調べて、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の磁化軸(スピン)が交互の方向(上、下、上、下など)に整列します。 材料全体のスケールでは、これらの交互の内部磁気配向は互いに打ち消し合い、材料全体の正味の磁性は生じません。 このような材料は、異なる状態間ですばやく切り替えることができます。 また、外部磁場からの干渉によって情報が失われることにも耐性があります。 これらの特性により、反強磁性材料は最新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・マッゾーネ(以前は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、テネシー大学)が含まれます。 )、Hu Miao(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テネシー)、Christian Batista(UテネシーおよびORNL)、Mark Dean(ブルックヘブン研究所)。 クレジット:* DESY、MartaMayer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、互いに強く相互作用して束縛状態を形成するときに発生します。 電子はまた、電子が材料内の異なる位置またはエネルギー準位にジャンプするときに残される空孔である「穴」と束縛状態を形成する可能性があります。 電子-電子相互作用の場合、結合は、2つの同様に帯電した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す。 電気を通さない素材です」とディーンは語った。 材料中の電子は、通常、低エネルギー状態、つまり「基底」エネルギー状態にとどまります。 「満員の円形劇場にいる人々のように、電子はすべて所定の位置に詰まっています。 彼らは動き回ることができません」と彼は言いました。 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を電子にブーストする必要があります。

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、エネルギーギャップ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状況を調査して、反強磁性励起子絶縁体の状態がどのように現れるかを学ぶことができます。

共同チームは、ストロンチウムイリジウムオキシド(Sr3Ir2O7)、これは高温でほとんど絶縁されません。 Daniel Mazzone、Yao Shen(ブルックヘブン研究所)、Gilberto Fabbris(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DOE科学局ユーザー施設であるAdvanced PhotonSourceでX線を使用して移動する電子の磁気相互作用と関連するエネルギーコスト。 テネシー大学のJianLiuとJunyiYang、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、エネルギーギャップは徐々に狭くなりました。 285ケルビン(約53度)

電子は材料の磁性層の間をジャンプし始めましたが、すぐにそれらが残した穴と結合したペアを形成し、同時に隣接する電子スピンの反強磁性整列を引き起こしました。テネシー大学の諏訪英真郎とクリスチャン・バティスタは、予測された反強磁性励起子絶縁体の概念を使用してモデルを開発するための計算を実行し、このモデルが実験結果を包括的に説明することを示しました。

「X線を使用して、電子と正孔の間の引力によって引き起こされる結合が、電子がバンドギャップを飛び越えたときよりも実際に多くのエネルギーを返すことを観察しました」とYaoShenは説明しました。 「このプロセスによってエネルギーが節約されるため、すべての電子がこれを実行したいと考えています。次に、すべての電子が遷移を完了した後、材料は、電子とスピンの全体的な配置の点で高温状態とは異なって見えます。新しい構成では、電子スピンが反強磁性パターンで秩序化され、結合したペアが「ロックイン」された絶縁状態を作成します。」

反強磁性励起子絶縁体の同定は、電子が材料に配置するために選択する魅力的な方法を探求する長い旅を完了します。将来的には、そのような材料のスピンと電荷の関係を理解することで、新しい技術を実現できる可能性があります。

この研究におけるブルックヘブン研究所の役割は、DOE科学局によって資金提供され、共同研究者は、論文に記載されているさまざまな追加の情報源から資金提供を受けています。科学者たちはまた、オークリッジ国立研究所のDOE科学局ユーザー施設であるオークリッジリーダーシップコンピューティング施設の計算リソースを使用しました。

参考:D。G。Mazzone、Y。Shen、H。Suwa、G。Fabbris、J。Yang、S.-Sによる「Sr3Ir2O7の反強磁性励起子絶縁体状態」 Zhang、H。Miao、J。Sears、Ke Jia、Y。G。Shi、M。H。Upton、D。M。Casa、X。Liu、Jian Liu、C。D。Batista、M。P。M. Dean、2022年2月17日、Nature Communications
DOI:10.1038 / s41467-022-28207-w

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