确认60年前预测的奇怪物质磁相

60年前,物理学家开始思考量子力学规则如何应用在材料电子特性上,并因此预测了一种物质磁性状态,称为“反铁磁激子绝缘体”。借助先进技术,现在科学家终于确定了这种物质磁相存在的证据。

1960年代,物理学家开始探索金属、半导体和绝缘体的不同特性,并试图弄清当绝缘体和导体之间的电子能隙越来越小时会发生什么,是从简单绝缘体变成一个电子可以自由移动的简单金属?还是发生更有趣的事情?

绝缘体与金属相反,前者是不导电材料,电子通常处于低能态被卡在原地,就像人们坐在客满的圆形剧场里无法四处走动。为了让电子移动,必须给予它们足够大的能量。但在其他非常特殊的情况下,来自磁性电子-电洞相互作用的能量增益可以超越电子跨越能隙的能量。

物理学家当时便预测了“反铁磁激子绝缘体(antiferromagnetic excitonic insulator)”这种新的物质状态。在反铁磁激子绝缘体中,相邻原子上的电子磁矩沿交替方向排列:向上、向下、向上、向下,整个材交替的内部磁性方向相互抵消,可导致材料净磁矩为零,于不同状态之间快速切换。此外,材料也可以抵抗因外部磁场干扰而丢失的消息,种种特性使得反铁磁材料对现代通信技术具有一定吸引力。

而当某些条件允许电子四处移动并与电洞强烈相互作用形成束缚态时,激子就会出现,可被看作绝缘体特性。

通过X射线测量移动电子的磁相互作用先进技术,最近科学家便发现这种特殊情况,了解反铁磁激子绝缘体如何出现。

研究人员检查在高温下绝缘的Sr 3 Ir 2 O 7材料,随着材料冷却,电子开始在磁性层之间跳跃又立即与电洞形成束缚态,同时触发相邻电子自旋的反铁磁排列,电子和电洞之间的吸引力实际上比电子跳过能隙所需能量更多,由于该过程节省了能量,所以所有电子都想这么做。在所有电子完成跃迁后,整体排列看起来与高温状态有所不同,包括以反铁磁模式排列的电子自旋,而束缚对则产生绝缘状态。

理解电子在材料中排列的迷人方式是趟漫长旅程,解开此类材料中电子自旋和电荷的联系,将有助于实现未来新型磁铁技术。新论文发布在《自然通信》(Nature Communications)期刊。

(首图来源:布鲁克黑文国家实验室)

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