Forscher legen Beweise für eine exotische magnetische Phase der Materie vor

Wissenschaftler des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums haben einen seit langem vorhergesagten magnetischen Zustand der Materie entdeckt, der als „antiferromagnetischer exzitonischer Isolator“ bezeichnet wird.

„Im Großen und Ganzen ist dies eine neuartige Art von Magnet“, sagte der Physiker Mark Dean vom Brookhaven Lab, Seniorautor eines Artikels, der die gerade veröffentlichte Forschung beschreibt Naturkommunikation. „Da magnetische Materialien das Herzstück vieler Technologien um uns herum bilden, sind neue Arten von Magneten sowohl grundlegend faszinierend als auch vielversprechend für zukünftige Anwendungen.“

Der neue magnetische Zustand beinhaltet eine starke magnetische Anziehung zwischen Elektronen in einem geschichteten Material, die die Elektronen dazu bringt, ihre magnetischen Momente oder „Spins“ in einem regelmäßigen „antiferromagnetischen“ Auf-Ab-Muster anzuordnen. Die Idee, dass ein solcher Antiferromagnetismus durch eine seltsame Elektronenkopplung in einem isolierenden Material angetrieben werden könnte, wurde erstmals in den 1960er Jahren vorhergesagt, als Physiker die unterschiedlichen Eigenschaften von Metallen, Halbleitern und Isolatoren untersuchten.

„Vor sechzig Jahren fingen Physiker gerade an, darüber nachzudenken, wie die Regeln der Quantenmechanik auf die elektronischen Eigenschaften von Materialien anzuwenden sind“, sagte Daniel Mazzone, ein ehemaliger Physiker des Brookhaven Lab, der die Studie leitete und jetzt am Paul Scherrer Institut in der Schweiz arbeitet. „Sie versuchten herauszufinden, was passiert, wenn man die elektronische ‚Energielücke‘ zwischen einem Isolator und einem Leiter immer kleiner macht. Verwandelt man einfach einen einfachen Isolator in ein einfaches Metall, in dem sich die Elektronen frei bewegen können, oder tut man etwas mehr interessantes passiert?“

Die Vorhersage war, dass man unter bestimmten Bedingungen etwas Interessanteres bekommen könnte: nämlich den gerade vom Brookhaven-Team entdeckten „antiferromagnetischen exzitonischen Isolator“.

Warum ist dieses Material so exotisch und interessant? Lassen Sie uns zum Verständnis in diese Begriffe eintauchen und untersuchen, wie sich dieser neue Zustand der Materie bildet.

In einem Antiferromagneten sind die magnetischen Polarisationsachsen (Spins) der Elektronen benachbarter Atome in abwechselnde Richtungen ausgerichtet: nach oben, unten, oben, unten und so weiter. Auf der Skala des gesamten Materials heben sich diese alternierenden inneren magnetischen Orientierungen gegenseitig auf, was zu keinem Nettomagnetismus des gesamten Materials führt. Solche Materialien können schnell zwischen verschiedenen Zuständen umgeschaltet werden. Sie sind auch resistent gegen Informationsverluste aufgrund von Störungen durch externe Magnetfelder. Diese Eigenschaften machen antiferromagnetische Materialien für moderne Kommunikationstechnologien attraktiv.

Als nächstes haben wir die Exzitonik. Exzitonen entstehen, wenn bestimmte Bedingungen es Elektronen ermöglichen, sich zu bewegen und stark miteinander zu interagieren, um gebundene Zustände zu bilden. Elektronen können auch gebundene Zustände mit „Löchern“ bilden, den Leerstellen, die zurückbleiben, wenn Elektronen an eine andere Position oder ein anderes Energieniveau in einem Material springen. Im Fall von Elektron-Elektron-Wechselwirkungen wird die Bindung durch magnetische Anziehungskräfte angetrieben, die stark genug sind, um die Abstoßungskraft zwischen den zwei gleich geladenen Teilchen zu überwinden. Im Fall von Elektron-Loch-Wechselwirkungen muss die Anziehung stark genug sein, um die „Energielücke“ des Materials zu überwinden, eine Eigenschaft eines Isolators.

„Ein Isolator ist das Gegenteil von Metall; es ist ein Material, das keinen Strom leitet“, sagte Dean. Elektronen im Material bleiben im Allgemeinen in einem niedrigen oder „Grund“-Energiezustand. „Die Elektronen sind alle an Ort und Stelle eingeklemmt, wie Menschen in einem gefüllten Amphitheater; sie können sich nicht bewegen“, sagte er. Um die Elektronen in Bewegung zu versetzen, muss man ihnen einen Energieschub geben, der groß genug ist, um eine charakteristische Lücke zwischen dem Grundzustand und einem höheren Energieniveau zu überwinden.

Unter ganz besonderen Umständen kann der Energiegewinn durch magnetische Elektron-Loch-Wechselwirkungen die Energiekosten für Elektronen, die über die Energielücke springen, aufwiegen.

Dank fortschrittlicher Techniken können Physiker nun diese besonderen Umstände untersuchen, um zu erfahren, wie der antiferromagnetische exzitonische Isolatorzustand entsteht.

Ein kollaboratives Team arbeitete mit einem Material namens Strontium-Iridium-Oxid (Sr3Ir2O7), das bei hohen Temperaturen kaum isolierend ist. Daniel Mazzone, Yao Shen (Brookhaven Lab), Gilberto Fabbris (Argonne National Laboratory) und Jennifer Sears (Brookhaven Lab) verwendeten Röntgenstrahlen an der Advanced Photon Source – einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science am Argonne National Laboratory – um die zu messen magnetische Wechselwirkungen und die damit verbundenen Energiekosten von sich bewegenden Elektronen. Jian Liu und Junyi Yang von der University of Tennessee and Argonne, Wissenschaftler Mary Upton und Diego Casa, leisteten ebenfalls wichtige Beiträge.

Das Team begann seine Untersuchung bei hoher Temperatur und kühlte das Material allmählich ab. Beim Abkühlen verengte sich die Energielücke allmählich. Bei 285 Kelvin (etwa 53 Grad Fahrenheit) begannen Elektronen zwischen den magnetischen Schichten des Materials zu springen, bildeten aber sofort gebundene Paare mit den Löchern, die sie hinterlassen hatten, was gleichzeitig die antiferromagnetische Ausrichtung benachbarter Elektronenspins auslöste. Hidemaro Suwa und Christian Batista von der University of Tennessee führten Berechnungen durch, um ein Modell unter Verwendung des Konzepts des vorhergesagten antiferromagnetischen exzitonischen Isolators zu entwickeln, und zeigten, dass dieses Modell die experimentellen Ergebnisse umfassend erklärt.

„Mit Röntgenstrahlen haben wir beobachtet, dass die durch die Anziehung zwischen Elektronen und Löchern ausgelöste Bindung tatsächlich mehr Energie zurückgibt, als wenn das Elektron über die Bandlücke springt“, erklärt Yao Shen. „Weil bei diesem Vorgang Energie eingespart wird, wollen das alle Elektronen tun. Nachdem dann alle Elektronen den Übergang vollzogen haben, sieht das Material im Hinblick auf die Gesamtanordnung von Elektronen und Spins anders aus als im Hochtemperaturzustand. Das Neue.“ Die Konfiguration beinhaltet, dass die Elektronenspins in einem antiferromagnetischen Muster angeordnet sind, während die gebundenen Paare einen „eingesperrten“ isolierenden Zustand erzeugen.

Die Identifizierung des antiferromagnetischen exzitonischen Isolators schließt eine lange Reise ab, bei der es um die faszinierende Art und Weise geht, wie sich Elektronen in Materialien anordnen. In Zukunft könnte das Verständnis der Zusammenhänge zwischen Spin und Ladung in solchen Materialien Potenzial für die Realisierung neuer Technologien haben.