Главная Новости Физики открыли новое магнитное состояние материи

Физики открыли новое магнитное состояние материи

Ученые, используя возможности Расширенного источника фотонов (APS) в Аргоннской национальной лаборатории, ответили на вопрос, который несколько десятилетий мучил исследователей, пишет Альтернативная наука.

Что происходит, когда материал переходит из одного состояния в другое

Для компьютерных полупроводников и современных коммуникационных устройств поиск более эффективных способов проведения электрического заряда открывает захватывающие возможности. Устройства могут стать крохотніми, быстрее выполнять цифровые задачи и потреблять меньше энергии.

Для этого физики должны были выяснить, что происходит, когда материал переходит из одного состояния в другое, не проводящее электричество. Вопрос озадачивал ученых на протяжении 60 лет, однако недавнее открытие, в котором участвовали физики из двух национальных лабораторий, приоткрыло завесу над полупроводниковой тайной.

"Линия RIXS - одна из лучших в мире для подобного эксперимента. Техника была действительно критически важной", - говорит Гилберто Фаббрис, работающий в Аргоннской национальной лаборатории.

«Физики пытались выяснить, что происходит, когда электронный "энергетический зазор" между изолятором и проводником становится все меньше и меньше», - поясняет Дэниел Маццоне, бывший физик Брукхейвенской национальной лаборатории, ныне работающий в Институте Пауля Шеррера в Швейцарии.

Маццоне и его коллеги, включая физиков Брукхейвенской и Аргоннской национальных лабораторий, опубликовали свои результаты в февральском номере журналп Nature Communications.

"Меняете ли вы простой изолятор на простой металл, в котором электроны могут свободно перемещаться, или происходит что-то более интересное?"

Используя усовершенствованный источник фотонов (APS), пользовательскую установку Управления науки Министерства энергетики (DOE) в Аргоннской национальной лаборатории, исследователи продемонстрировали: при определенных условиях может быть обнаружено новое магнитное состояние материи, где магнитные моменты электронов ("спины") тесно связаны с их изолирующим свойством.

Новое магнитное состояние получило название «антиферромагнитное экситонное состояние изолятора».

"Изолятор - это противоположность металлу; это материал, который не проводит электричество", - поясняет Марк Дин, ученый из Брукхейвена, соавтор статьи.

"Электроны зажаты на месте, как люди в заполненном амфитеатре; они не могут двигаться".

Чтобы заставить электроны выйти из низкого или "основного" энергетического состояния, им нужен большой толчок энергии. Он должен быть достаточно значительным, чтобы преодолеть разрыв между основным состоянием и более высоким энергетическим уровнем.

В особых обстоятельствах выигрыш в энергии может перевесить энергетические затраты, связанные с переходом электронов через энергетический зазор.

"Энергетический зазор между изолятором и проводником сравним с траншеей двухполосного шоссе, - говорит физик из Аргонна Мэри Аптон, соавтор статьи. - Представьте себе, что одна полоса полностью забита автомобилями, а другая - абсолютно свободна. Заполнив траншею, автомобили свободно циркулируют и продолжают движение... В состоянии антиферромагнитного изолятора электроны могут делать то же самое".

Идентификация антиферромагнитного экситонного изолятора

Во время эксперимента группа работала с материалом под названием оксид иридия стронция, который обладает лишь едва заметной изоляцией при комнатной температуре.

"Сам образец уже имел очень маленький энергетический зазор, но мы пытались выяснить, обычный ли это изоляторм или же он уже является магнитным экситонным изолятором", - рассказывает Гилберто Фаббрис.

По его словам, в магнитном экситонном изоляторе электроны имеют энергию, необходимую для движения, но особый тип магнитного взаимодействия блокирует их, то есть материал не проводит электричество.

Но команда показала, что материал действительно является магнитным экситонным изолятором.

Передовые методы и приборы позволили физикам изучить это явление. Резонансное неупругое рассеяние рентгеновских лучей (RIXS) на установке 27-ID в APS, например, помогло заглянуть глубоко внутрь материала.

Антиферромагнитное экситонное состояние изолятора. Ученые открыли новый вид магнетизма

RIXS использует рентгеновские лучи для измерения того, сколько энергии и импульса теряется, когда свет вызывает возмущение электронов в материале. В результате были измерены магнитные взаимодействия и связанные с ними энергетические затраты на перемещение частиц.

Аптон и Фаббрис говорят, что для проведения этих измерений очень важна такая установка, как APS, - она генерирует экспоненциально более яркие рентгеновские лучи, чем меньшие лабораторные установки.

"Пучковая линия RIXS - одна из лучших в мире для этого эксперимента, - радуется Фаббрис, - техника была действительно критически важна".

 

В настоящее время APS проходит масштабную модернизацию, которая увеличит яркость рентгеновских лучей в 500 раз. В рамках этой модернизации на 27-ID был установлен новый прибор RIXS, расширяющий возможности линии.

Идентификация антиферромагнитного экситонного изолятора завершает долгий путь изучения увлекательных способов, которыми электроны выбирают расположение в материалах. В будущем понимание связей между спином и зарядом в таких материалах может стать потенциалом для реализации новых технологий.

Версия этого выпуска была первоначально опубликована Брукхейвенской национальной лабораторией.