Fot. Brookhaven National Laboratory

Odkryto nowy rodzaj magnesu. Naukowcy szukali go 60 lat

Naukowcy są coraz bliżej odkrycia egzotycznego stanu materii. Antyferromagnetyczny izolator ekscytoniczny to nowy rodzaj magnesu, którego poszukiwano od 60 lat.

Naukowcy z Brookhaven National Laboratory, należącego do Departamentu Energii USA, odkryli nieuchwytny do tej pory magnetyczny stan materii zwany antyferromagnetycznym izolatorem ekscytonicznym. Wyniki badań opublikowano w Nature Communications.

Ogólnie rzecz biorąc, jest to nowy rodzaj magnesu. Ponieważ materiały magnetyczne leżą u podstaw wielu otaczających nas technologii, nowe rodzaje magnesów są zarówno fundamentalnie fascynujące, jak i obiecujące dla przyszłych zastosowań.

Mark Dean, fizyk z Brookhaven Lab

Nowy stan magnetyczny obejmuje silne przyciąganie magnetyczne pomiędzy elektronami w materiale warstwowym, które sprawia, że elektrony chcą ułożyć swoje momenty magnetyczne (spiny) w regularny wzór „antyferromagnetyczny” góra-dół. Pomysł, że taki antyferromagnetyzm może być napędzany przez dziwaczne sprzężenie elektronów w materiale izolacyjnym, został po raz pierwszy przewidziany w latach 60. ubiegłego wieku, kiedy fizycy badali różne właściwości metali, półprzewodników i izolatorów.

Sześćdziesiąt lat temu fizycy dopiero zaczynali rozważać, jak zasady mechaniki kwantowej odnoszą się do elektronicznych właściwości materiałów. Próbowali oni ustalić, co się dzieje, gdy zmniejszamy coraz bardziej przerwę energetyczną pomiędzy izolatorem a przewodnikiem. Czy po prostu zmieniamy zwykły izolator w zwykły metal, w którym elektrony mogą się swobodnie poruszać, czy też dzieje się coś bardziej interesującego?

Daniel Mazzone, były fizyk z Brookhaven Lab, który kierował badaniami, a obecnie pracuje w Paul Scherrer Institut w Szwajcarii

Przewidywano, że w określonych warunkach można uzyskać jeszcze bardziej egzotyczny stan – antyferromagnetyczny izolator ekscytoniczny. Właśnie tego dokonali naukowcy z Brookhaven.

Izolator to przeciwieństwo metalu – jest to materiał, który nie przewodzi prądu. Elektrony w takim materiale zazwyczaj pozostają w niskim stanie energetycznym, czyli w stanie „uziemienia”. Wszystkie elektrony są zablokowane, jak ludzie w wypełnionym po brzegi amfiteatrze, nie mogą się poruszać. Aby wprawić elektrony w ruch, trzeba dać im zastrzyk energii na tyle duży, aby pokonały charakterystyczną przerwę pomiędzy stanem podstawowym a wyższym poziomem energetycznym.

Mark Dean

W pewnych okolicznościach energia uzyskana podczas magnetycznych oddziaływań elektron-dziura może być wyższa od tej, która jest włożona, by proces ten przeprowadzić. Fizycy starają się badać te okoliczności, aby zrozumieć, jak powstaje antyferromagnetyczny izolator ekscytoniczny.

Czytaj też: Czas życia neutronu zmierzony. Potrzebna była wanna z 4000 magnesów

Zespół naukowców pracował nad materiałem zwanym tlenkiem strontu irydu (Sr3Ir2O7), który w wysokiej temperaturze jest ledwie izolujący. Uczeni wykorzystali promieniowanie rentgenowskie do pomiaru oddziaływań magnetycznych i związanych z nimi kosztów energetycznych poruszających się elektronów.

Namierzenie antyferromagnetycznego izolatora ekscytonowego kończy długą podróż badającą fascynujące sposoby, w jakie elektrony decydują się układać w materiałach. W przyszłości, zrozumienie powiązań pomiędzy spinem i ładunkiem w takich materiałach może stanowić potencjał do realizacji nowych technologii.