Forskning afslører ny kvantetilstand i mærkelige isolerende materialer

Forskere fra Brown University har eksperimentelt vist, hvordan en unik form for magnetisme opstår i en ulige klasse materialer kaldet Mott -isolatorer. Resultaterne er et skridt mod en bedre forståelse af disse materialers kvantetilstande, som har skabt stor interesse blandt forskere i de seneste år.

Studiet, udgivet i Naturkommunikation , hjælper med at bekræfte nyt teoretisk arbejde, der forsøger at forklare, hvordan elektroner opfører sig i disse mærkelige materialer. Arbejdet blev udført i samarbejde med forskere ved Stanford University og National High Magnetic Field Laboratory.

"Vi fandt ud af, at teorien holder godt, "sagde Vesna Mitrović, en lektor i fysik ved Brown, der ledede arbejdet. "Det viser, at denne nye teori, baseret på kvantemodeller, der involverer komplicerede elektron -spin -interaktioner, er en god start på at forstå magnetisme i stærkt interagerende materialer. "

Mott -isolatorer er materialer, der skal være ledere i henhold til traditionelle teorier om elektrisk ledningsevne, men fungerer ikke desto mindre som isolatorer. Den isolerende tilstand opstår, fordi elektroner i disse materialer er stærkt korreleret og afviser hinanden. Den dynamik skaber en slags elektronisk trafikprop, forhindrer partiklerne i at flyde for at danne en strøm.

Forskere håber, at de kan finde måder at flytte disse materialer ind og ud af Mott -isoleringstilstanden, hvilket ville være nyttigt i udviklingen af ​​nye former for funktionelle enheder. Det er også blevet vist, at ved at indføre urenheder i deres struktur, nogle Mott-isolatorer bliver superledere ved høj temperatur-materialer, der kan lede elektricitet uden modstand ved temperaturer langt over dem, der normalt kræves for superledning.

På trods af løftet om disse materialer, forskere forstår stadig ikke helt, hvordan de fungerer. En fuldstændig beskrivelse af elektrontilstande i disse materialer har været undvigende. På det mest fundamentale plan, hver enkelt elektron er karakteriseret ved sin ladning og spin, dens lille magnetiske øjeblik, der peger enten op eller ned. Det er svært at forudsige elektronegenskaber i Mott -isolatorer, fordi elektronernes tilstande er så tæt korreleret med hinanden - tilstanden af ​​en elektron påvirker tilstanden hos sine naboer.

For yderligere at komplicere sager, mange Mott-isolatorer udviser det, der er kendt som spin-orbit-kobling, hvilket betyder, at hver elektrones spin ændres, når den kredser om en atomkerne. Spin-kredsløbskobling indebærer, at elektronens magnetiske moment påvirkes af dets kredsløb om en atomkerne, og derfor er spin af en elektron ikke veldefineret. Dermed, forudsigelse af disse materialers egenskaber kræver viden om interaktioner mellem elektronerne, mens de grundlæggende egenskaber for den enkelte elektron afhænger af deres kredsløb.

"Når du har disse komplekse interaktioner plus spin-order kobling, det bliver en utrolig kompliceret situation at beskrive teoretisk, "Mitrović sagde." Alligevel har vi brug for en sådan grundlæggende kvanteteori for at kunne forudsige nye kvanteegenskaber for komplekse materialer og udnytte dem. "

Mitrovićs undersøgelse fokuserede på en mærkelig form for magnetisme, der opstår, når Mott-isolatorer med stærk spin-orbit-kobling afkøles til en kritisk temperatur. Magnetisme opstår som følge af justeringer mellem elektroner spinder. Men i dette tilfælde, fordi spins interagerer stærkt, og deres værdier afhænger af kredsløb, det er ikke forstået, hvordan denne magnetisme opstår i disse materialer.

Der var et vigtigt teoretisk forsøg på at vise, hvad der kunne ske i disse materialer på det mest fundamentale plan for at bringe denne magnetiske tilstand til. Og det var, hvad Mitrović og hendes kolleger ville teste.

Mitrovićs kolleger i Stanford startede med at syntetisere og karakterisere termodynamisk et Mott -isolerende materiale fremstillet af barium, natrium, osmium og ilt, som Mitrović sonderede ved hjælp af nuklear magnetisk resonans. Den særlige teknik, teamet brugte, gjorde dem i stand til at indsamle oplysninger om fordelingen af ​​elektronladninger i materialet og oplysninger om elektronspin på samme tid.

Arbejdet viste, at når materialet afkøles, ændringer i fordelingen af ​​elektronladninger forårsager forvrængning i materialets atomorbitaler og gitter. Efterhånden som temperaturen afkøles yderligere, at forvrængning driver magnetismen ved at forårsage en justering af elektronspins inden for individuelle lag af atomgitteret.

"Vi var i stand til at bestemme den nøjagtige karakter af de orbitale ladningsforvridninger, der går forud for magnetismen, såvel som den nøjagtige centrifugering i denne eksotiske magnetiske tilstand. "sagde Mitrović." I et lag har du spins justeret i en retning, og derefter i lagene over og under det er spinnene justeret i den forskellige retning. Det resulterer i svag magnetisme over alt, på trods af den stærke magnetisme inden for hvert lag. "

Teorien, Mitrović undersøgte, forudsagde præcis denne lagdelte magnetisme forud for forvrængninger af ladning. Som sådan, resultaterne hjælper med at bekræfte, at teorien er på rette vej.

Arbejdet er et vigtigt skridt i retning af at forstå og manipulere egenskaberne ved denne interessante klasse af materialer til virkelige applikationer, Siger Mitrović. I særdeleshed, materialer med spin-order-kobling er lovende til udvikling af elektroniske enheder, der bruger mindre strøm end almindelige enheder.

"Hvis vi vil begynde at bruge disse materialer i enheder, vi er nødt til at forstå, hvordan de fungerer grundlæggende, "Sagde Mitrović." På den måde kan vi indstille deres ejendomme til, hvad vi vil have dem til at gøre. Ved at validere noget af det teoretiske arbejde med Mott-isolatorer med stærk spin-orbit-kobling, dette arbejde er et vigtigt skridt mod en bedre forståelse. "

I større forstand, arbejdet er et skridt i retning af en mere omfattende kvanteteori om magnetisme.

"Selvom magnetisme er de længste kendte kvantefænomener, opdaget af de gamle grækere, en grundlæggende kvanteteori om magnetisme forbliver undvigende, "Sagde Mitrović." Vi designede vores arbejde med at teste en ny teori, der forsøger at forklare, hvordan magnetisme opstår i eksotiske materialer. "