mayo 20, 2022

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Los científicos han descubierto un extraño estado magnético de la materia

energía de partículas magnéticas espiral abstracta

Los científicos han identificado un estado magnético largamente buscado durante casi 60 años.

Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. han descubierto un estado magnético largamente anticipado del material llamado «aislante excitónico antimagnético».

Mark Dean, físico de Brookhaven Lab y autor principal de un artículo que describe la investigación que se acaba de publicar en Comunicaciones de la naturaleza. «Con los materiales magnéticos en el centro de tantas tecnologías que nos rodean, los nuevos tipos de imanes son fundamentalmente fascinantes y prometedores para futuras aplicaciones».

El nuevo estado magnético implica una fuerte atracción magnética entre los electrones en un material en capas que hace que los electrones deseen organizar sus momentos magnéticos, o «girar», en un patrón «antimagnético» regular de arriba a abajo. La idea de tal antiferromagnetismo fue predicha por primera vez por el acoplamiento de electrones torcidos en un aislador en la década de 1960 cuando los físicos descubrieron las diferentes propiedades de los metales, semiconductores y aisladores.

La etapa histórica del material.

Impresión de un artista de cómo el equipo identificó esta fase histórica del material. Los investigadores utilizaron rayos X para medir cómo se mueven las espínulas (flechas azules) cuando están turbulentas y pudieron demostrar que oscilan en longitud en el patrón que se muestra arriba. Este comportamiento particular ocurre porque la cantidad de carga eléctrica en cada ubicación (que se muestra como discos amarillos) también puede variar y es la huella digital utilizada para determinar el nuevo comportamiento. Crédito: Laboratorio Nacional de Brookhaven

«Hace sesenta años, los físicos apenas comenzaban a ver cómo aplicar las reglas de la mecánica cuántica a las propiedades electrónicas de los materiales», dijo Daniel Mazon, ex físico del Laboratorio Brookhaven que dirigió el estudio y ahora trabaja en el Instituto Paul Scherer en Suiza. «Estaban tratando de descubrir qué sucede cuando haces que la ‘brecha de energía’ electrónica entre un aislante y un conductor sea cada vez más pequeña. ¿Simplemente cambias un aislador simple a un metal simple donde los electrones pueden moverse libremente, o sucede algo más interesante? ?»

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La expectativa era que, bajo ciertas condiciones, podrías obtener algo más interesante: la «excitación antiferromagnética» que acaba de descubrir el equipo de Brookhaven.

¿Por qué este artículo es tan extraño e interesante? Para entenderlo, profundicemos en estos términos y exploremos cómo se forma este nuevo estado de la materia.

En un antiferromagnético, los electrones de los átomos vecinos tienen ejes de polarización magnética (espín) en direcciones alternas: arriba, abajo, arriba, abajo, etc. En la escala de todo el material, estas direcciones magnéticas internas alternas se cancelan entre sí, lo que da como resultado que no haya magnetismo neto del material agregado. Estos materiales se pueden intercambiar rápidamente entre diferentes estados. También resiste la pérdida de información debido a la interferencia de campos magnéticos externos. Estas propiedades hacen que los materiales antimagnéticos sean atractivos para las tecnologías de comunicación modernas.

La nueva etapa del equipo científico

Los miembros del equipo de investigación incluyen: Daniel Mazzoni (anteriormente de Brookhaven Lab, ahora en el Instituto Paul Scherrer en Suiza), Yao Shen (Brookhaven Lab), Gilberto Fabbris (Laboratorio Nacional de Argonne), Hidemaro Suwa (Universidad de Tokio y Universidad de Tennessee), Ho Miu (Laboratorio Nacional de Oak Ridge-ORNL), Jennifer Sears* (Laboratorio de Brookhaven), Jian Liu (U-TN), Christian Batista (U-TN y ORNL) y Mark Dean (Laboratorio de Brookhaven). Crédito: Varias fuentes incluyendo *DESY, Marta Meyer

A continuación tenemos el excitónico. Los excitones surgen cuando ciertas condiciones permiten que los electrones se muevan e interactúen vigorosamente entre sí para formar estados ligados. Los electrones también pueden formar estados asociados con «agujeros», que son vacantes que quedan cuando los electrones saltan a una posición o nivel de energía diferente en un material. En el caso de las interacciones electrón-electrón, el enlace es impulsado por atracciones magnéticas lo suficientemente fuertes como para superar la fuerza de repulsión entre dos partículas similares. En el caso de interacciones electrón-hueco, la atracción debe ser lo suficientemente fuerte como para superar la «brecha de energía» en el material, una característica de un aislante.

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«Un aislante es lo opuesto a un metal; es un material que no conduce la electricidad”, dijo Dean. «Los electrones en el material generalmente permanecen en un estado de baja energía o «tierra». «Todos los electrones están abarrotados en su lugar, como personas en un anfiteatro lleno; Él dijo. Para hacer que los electrones se muevan, debe darles un impulso de energía lo suficientemente grande como para superar la brecha característica entre el estado fundamental y un nivel de energía más alto.

En circunstancias muy especiales, la ganancia de energía de las interacciones magnéticas entre electrones y huecos puede compensar el costo energético de los electrones que saltan a través del hueco de energía.

Ahora, gracias a tecnologías avanzadas, los físicos pueden explorar esas condiciones especiales para ver cómo podría aparecer el estado del aislante axitónico antiferromagnético.

Un equipo de colaboración trabajó con un material llamado óxido de iridio de estroncio (Sr.).3Infrarrojo2a7), que difícilmente es un aislante a alta temperatura. Daniel Mazon, Yao Shen (Laboratorio de Brookhaven), Gilberto Fabrice (Laboratorio Nacional de Argonne) y Jennifer Sears (Laboratorio de Brookhaven) utilizaron rayos X en Advanced Photon Source, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía en el Laboratorio Nacional de Argonne — para medir las interacciones magnéticas y los costos de energía asociados con los electrones en movimiento. Jian Liu y Johnny Yang de la Universidad de Tennessee y los científicos de Argonne Mary Upton y Diego Casa también hicieron contribuciones importantes.

El equipo comenzó sus investigaciones a alta temperatura y enfrió gradualmente el material. Con el enfriamiento, la brecha de poder se redujo gradualmente. a 285 K (alrededor de 53 grados[{» attribute=»»>Fahrenheit), electrons started jumping between the magnetic layers of the material but immediately formed bound pairs with the holes they’d left behind, simultaneously triggering the antiferromagnetic alignment of adjacent electron spins. Hidemaro Suwa and Christian Batista of the University of Tennessee performed calculations to develop a model using the concept of the predicted antiferromagnetic excitonic insulator, and showed that this model comprehensively explains the experimental results.

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“Using x-rays we observed that the binding triggered by the attraction between electrons and holes actually gives back more energy than when the electron jumped over the band gap,” explained Yao Shen. “Because energy is saved by this process, all the electrons want to do this. Then, after all electrons have accomplished the transition, the material looks different from the high-temperature state in terms of the overall arrangement of electrons and spins. The new configuration involves the electron spins being ordered in an antiferromagnetic pattern while the bound pairs create a ‘locked-in’ insulating state.”

The identification of the antiferromagnetic excitonic insulator completes a long journey exploring the fascinating ways electrons choose to arrange themselves in materials. In the future, understanding the connections between spin and charge in such materials could have potential for realizing new technologies.

Brookhaven Lab’s role in this research was funded by the DOE Office of Science, with collaborators receiving funding from a range of additional sources noted in the paper. The scientists also used computational resources of the Oak Ridge Leadership Computing Facility, a DOE Office of Science user facility at Oak Ridge National Laboratory.

Reference: “Antiferromagnetic Excitonic Insulator State in Sr3Ir2O7” by D. G. Mazzone, Y. Shen, H. Suwa, G. Fabbris, J. Yang, S.-S. Zhang, H. Miao, J. Sears, Ke Jia, Y. G. Shi, M. H. Upton, D. M. Casa, X. Liu, Jian Liu, C. D. Batista and M. P. M. Dean, 17 February 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-28207-w