確認 60 年前預測的奇怪物質磁相

作者 | 發布日期 2022 年 02 月 26 日 12:01 | 分類 材料 Telegram share ! follow us in feedly


60 年前,物理學家開始思考量子力學規則如何應用在材料電子特性上,並因此預測了一種物質磁性狀態,稱為「反鐵磁激子絕緣體」。借助先進技術,現在科學家終於確定了這種物質磁相存在的證據。

1960 年代,物理學家開始探索金屬、半導體和絕緣體的不同特性,並試圖弄清當絕緣體和導體之間的電子能隙越來越小時會發生什麼,是從簡單絕緣體變成一個電子可以自由移動的簡單金屬?還是發生更有趣的事情?

絕緣體與金屬相反,前者是不導電材料,電子通常處於低能態被卡在原地,就像人們坐在客滿的圓形劇場裡無法四處走動。為了讓電子移動,必須給予它們足夠大的能量。但在其他非常特殊的情況下,來自磁性電子-電洞相互作用的能量增益可以超越電子跨越能隙的能量。

物理學家當時便預測了「反鐵磁激子絕緣體(antiferromagnetic excitonic insulator)」這種新的物質狀態。在反鐵磁激子絕緣體中,相鄰原子上的電子磁矩沿交替方向排列:向上、向下、向上、向下,整個材交替的內部磁性方向相互抵消,可導致材料淨磁矩為零,於不同狀態之間快速切換。此外,材料也可以抵抗因外部磁場干擾而丟失的訊息,種種特性使得反鐵磁材料對現代通訊技術具有一定吸引力。

而當某些條件允許電子四處移動並與電洞強烈相互作用形成束縛態時,激子就會出現,可被看作絕緣體特性。

透過 X 射線測量移動電子的磁相互作用先進技術,最近科學家便發現這種特殊情況,了解反鐵磁激子絕緣體如何出現。

研究人員檢查在高溫下絕緣的 Sr 3 Ir 2 O 7 材料,隨著材料冷卻,電子開始在磁性層之間跳躍又立即與電洞形成束縛態,同時觸發相鄰電子自旋的反鐵磁排列,電子和電洞之間的吸引力實際上比電子跳過能隙所需能量更多,由於該過程節省了能量,所以所有電子都想這麼做。在所有電子完成躍遷後,整體排列看起來與高溫狀態有所不同,包括以反鐵磁模式排列的電子自旋,而束縛對則產生絕緣狀態。

理解電子在材料中排列的迷人方式是趟漫長旅程,解開此類材料中電子自旋和電荷的聯繫,將有助於實現未來新型磁鐵技術。新論文發表在《自然通訊》(Nature Communications)期刊。

(首圖來源:布魯克黑文國家實驗室