Des scientifiques ont découvert un étrange état magnétique de la matière

Les scientifiques identifient un état magnétique longtemps recherché depuis près de 60 ans.

Des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l’énergie ont découvert un état magnétique longtemps attendu du matériau appelé « isolant excitonique antimagnétique ».

Mark Dean, physicien au Brookhaven Lab et auteur principal d’un article décrivant la recherche qui vient d’être publiée dans Communication Nature. « Avec les matériaux magnétiques au cœur de tant de technologies qui nous entourent, les nouveaux types d’aimants sont fondamentalement fascinants et prometteurs pour les applications futures. »

Le nouvel état magnétique implique une forte attraction magnétique entre les électrons dans un matériau en couches qui amène les électrons à vouloir organiser leurs moments magnétiques, ou « spin », dans un motif « antimagnétique » régulier de haut en bas. L’idée d’un tel antiferromagnétisme a été prédite pour la première fois par couplage d’électrons torsadés dans un isolant dans les années 1960 lorsque les physiciens ont découvert les différentes propriétés des métaux, des semi-conducteurs et des isolants.

Vue d’artiste de la façon dont l’équipe a identifié cette phase historique du matériau. Les chercheurs ont utilisé des rayons X pour mesurer comment les spinules (flèches bleues) se déplacent lorsqu’elles sont turbulentes et ont pu montrer qu’elles oscillent en longueur dans le schéma illustré ci-dessus. Ce comportement particulier se produit parce que la quantité de charge électrique à chaque emplacement (indiquée par des disques jaunes) peut également varier et est l’empreinte digitale utilisée pour déterminer le nouveau comportement. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven

« Il y a soixante ans, les physiciens commençaient à peine à chercher comment appliquer les règles de la mécanique quantique aux propriétés électroniques des matériaux », a déclaré Daniel Mazon, l’ancien physicien du laboratoire de Brookhaven qui a dirigé l’étude et qui travaille maintenant à l’Institut Paul Scherer à La Suisse. « Ils essayaient de comprendre ce qui se passe lorsque vous réduisez de plus en plus le « fossé d’énergie » électronique entre un isolant et un conducteur. Changez-vous simplement un simple isolant en un simple métal où les électrons peuvent se déplacer librement, ou quelque chose de plus intéressant se produit ? »

On s’attendait à ce que, sous certaines conditions, on puisse obtenir quelque chose de plus intéressant : « l’excitation antiferromagnétique » que vient de découvrir l’équipe de Brookhaven.

Pourquoi cet article est-il si étrange et intéressant ? Pour le comprendre, plongeons dans ces termes et explorons comment ce nouvel état de la matière se forme.

Dans un antiferromagnétique, les électrons des atomes voisins ont des axes de polarisation magnétique (spin) dans des directions alternées : haut, bas, haut, bas, etc. A l’échelle de l’ensemble du matériau, ces directions magnétiques internes alternées s’annulent, ce qui n’entraîne aucun magnétisme net du matériau agrégé. Ces matériaux peuvent être rapidement échangés entre différents états. Il résiste également à la perte d’informations due aux interférences des champs magnétiques externes. Ces propriétés rendent les matériaux antimagnétiques attrayants pour les technologies de communication modernes.

Les membres de l’équipe de recherche comprennent : Daniel Mazon (anciennement du Brookhaven Lab, maintenant à l’Institut Paul Scherrer en Suisse), Yao Shen (Brookhaven Lab), Gilberto Fabbris (Argonne National Laboratory), Hidemaro Suwa (Université de Tokyo et Université du Tennessee), Ho Miu (Oak Ridge National Laboratory-ORNL), Jennifer Sears* (Brookhaven Lab), Jian Liu (U TN), Christian Batista (U TN et ORNL) et Mark Dean (Brookhaven Lab). Crédit : Diverses sources dont *DESY, Marta Meyer

Ensuite, nous avons l’excitonique. Les excitons apparaissent lorsque certaines conditions permettent aux électrons de se déplacer et d’interagir fortement les uns avec les autres pour former des états liés. Les électrons peuvent également former des états associés à des « trous », qui sont des lacunes laissées lorsque les électrons sautent vers une position ou un niveau d’énergie différent dans un matériau. Dans le cas des interactions électron-électron, la liaison est entraînée par des attractions magnétiques suffisamment fortes pour surmonter la force répulsive entre les deux particules similaires. Dans le cas d’interactions électron-trou, l’attraction doit être suffisamment forte pour surmonter le « trou d’énergie » dans le matériau, caractéristique d’un isolant.

« Un isolant est le contraire d’un métal ; c’est un matériau qui ne conduit pas l’électricité », a déclaré Dean. « Les électrons dans le matériau restent généralement dans un état de faible énergie, ou « sol ». « Tous les électrons sont entassés. en place, comme des gens dans un amphithéâtre plein ; Il a dit. Pour faire bouger les électrons, vous devez leur donner un regain d’énergie suffisamment important pour surmonter l’écart caractéristique entre l’état fondamental et un niveau d’énergie plus élevé.

Dans des circonstances très particulières, le gain d’énergie des interactions magnétiques électron-trou peut l’emporter sur le coût énergétique des électrons sautant à travers le trou d’énergie.

Désormais, grâce à des technologies avancées, les physiciens peuvent explorer ces conditions particulières pour voir comment l’état de l’isolant axitonique antiferromagnétique pourrait apparaître.

Une équipe collaborative a travaillé en utilisant un matériau appelé oxyde de strontium iridium (Sr .).₃Les rayons infrarouges₂une₇), qui n’est guère isolant à haute température. Daniel Mazzoni, Yao Shen (Laboratoire de Brookhaven), Gilberto Fabrice (Laboratoire national d’Argonne) et Jennifer Sears (Laboratoire de Brookhaven) ont utilisé des rayons X à l’Advanced Photon Source, une installation utilisateur du Bureau des sciences du Département de l’énergie au Laboratoire national d’Argonne —pour mesurer les interactions magnétiques et les coûts énergétiques associés aux électrons en mouvement. Jian Liu et Johnny Yang de l’Université du Tennessee et les chercheurs d’Argonne Mary Upton et Diego Casa ont également apporté d’importantes contributions.

L’équipe a commencé ses investigations à haute température et a progressivement refroidi le matériau. Avec le refroidissement, l’écart de puissance s’est progressivement réduit. à 285 K (environ 53 degrés[{ » 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.

“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