Вчені Брукхейвенської національної лабораторії Міністерства енергетики США виявили передбачений майже 60 років тому магнітний стан речовини, який називається «антиферомагнітний екситонний ізолятор».
Новий магнітний стан включає сильне магнітне тяжіння між електронами в шаруватому матеріалі, яке змушує електрони вишиковувати свої магнітні моменти, або «спини», у регулярний «антиферомагнітний» візерунок нагору-донизу. Такий антиферомагнетизм може бути обумовлений химерним електронним зв’язком в ізоляційному матеріалі. Вперше цей зв’язок був передбачений у 1960 роках, коли фізики досліджували різні властивості металів, напівпровідників та ізоляторів.
«Шістдесят років тому фізики тільки-но почали замислюватися про те, як правила квантової механіки застосовуються до електронних властивостей матеріалів. Вони намагалися з’ясувати, що відбувається, коли електронний «енергетичний зазор» між ізолятором та провідником стає дедалі меншим. Виникає питання: ми просто перетворимо простий ізолятор на метал, у якому електрони можуть вільно рухатися, чи станеться щось цікавіше?», – розповів вчений Даниель Маццоне. Було передбачено, що за певних умов можна отримати «антиферомагнітний екситонний ізолятор» — саме той, який і виявила команда з Брукхейвена. Вчені розповіли, чим саме цей матеріал такий екзотичний та цікавий.
В антиферомагнетиці осі магнітної поляризації (спини) електронів на сусідніх атомах орієнтовані в напрямках, що чергуються: вгору, вниз, вгору, вниз і так далі. У масштабі всього матеріалу ці внутрішні магнітні орієнтації, що чергуються, компенсують одна одну, що призводить до відсутності чистого магнетизму всього матеріалу. Такі матеріали можна швидко перемикати між різними станами. Вони також стійкі до втрати інформації через перешкоди від зовнішніх магнітних полів. Ці характеристики роблять антиферомагнітні матеріали привабливими для сучасних технологій зв’язку.
Екситони
Екситони виникають, коли певні умови дозволяють електронам рухатися та сильно взаємодіяти один з одним, утворюючи пов’язані стани. Електрони також можуть утворювати пов’язані стани з «дірками» – порожніми просторами, що залишаються після того, як електрони переходять на інше положення або енергетичний рівень у матеріалі. У разі «електрон-електронних» взаємодій зв’язок обумовлений магнітним тяжінням — досить сильним, щоб подолати силу відштовхування між двома однойменно зарядженими частинками. У разі «електронно-діркових» — тяжіння має бути досить сильним, щоб подолати «енергетичну щілину» матеріалу, характерну для ізолятора.
«Ізолятор – це протилежність металу. Це матеріал, який не проводить електрики. Електрони у матеріалі зазвичай залишаються у низькому, чи «основному», енергетичному стані. Всі електрони начебто застрягають на місці, як люди в заповненому автобусі. Щоб змусити електрони рухатися, ви повинні дати їм заряд енергії, достатній для подолання характерного розриву між основним станом та вищим енергетичним рівнем», – розповів фізик Марк Дін.
У дуже особливих обставинах виграш в енергії від магнітних «електронно-діркових» взаємодій може переважити витрати енергії на електрони, що «перестрибують» через «енергетичну щілину». Тепер завдяки передовим методам фізики можуть досліджувати ці особливі обставини, щоб дізнатися, як виникає стан антиферомагнітного екситонного ізолятора.
Вчені розпочали свої дослідження за високої температури і поступово охолоджували матеріал. У міру охолодження енергетичний зазор поступово звужувався. При близько 11° С електрони почали «стрибати» між магнітними шарами матеріалу, але відразу ж утворили пов’язані пари з залишеними ними «дірками», одночасно запускаючи антиферомагнітне вирівнювання сусідніх електронних спинів.
«За допомогою рентгенівських променів ми помітили, що зв’язування, викликане тяжінням між електронами та дірками, насправді повертає більше енергії, ніж коли електрон перестрибує через заборонену зону», — пояснюють вчені.
Ідентифікація антиферомагнітного ізолятора екситонного завершує довгий шлях вивчення захоплюючих способів, якими електрони вибирають розташування в матеріалах. У майбутньому розуміння зв’язку між спином та зарядом у таких матеріалах може мати потенціал для реалізації нових технологій.
Читайте також: