Forskere opdager nyt uventet fænomen i materialers kvantefysik

Forskere ved Northeastern har opdaget et nyt kvantefænomen i en specifik klasse af materialer, kaldet antiferromagnetiske isolatorer, som kunne give nye måder at drive "spintronic" og andre teknologiske enheder i fremtiden på.

Opdagelsen belyser "hvordan varme strømmer i en magnetisk isolator, [og] hvordan [forskere] kan detektere den varmestrøm," siger Gregory Fiete, fysikprofessor ved Northeastern og medforfatter af forskningen. De nye effekter, udgivet i Nature Physics denne uge og demonstreret eksperimentelt, blev observeret ved at kombinere lanthanferrit (LaFeO₃ ) med et lag platin eller wolfram.

"Den lagdelte kobling er det, der er ansvarlig for fænomenet," siger Arun Bansil, universitetsprofessor ved Institut for Fysik i Northeastern, som også deltog i undersøgelsen.

Opdagelsen kan have adskillige potentielle anvendelser, såsom forbedring af varmesensorer, genbrug af spildvarme og andre termoelektriske teknologier, siger Bansil. Dette fænomen kan endda føre til udvikling af en ny strømkilde til disse – og andre – spirende teknologier. Northeastern kandidatstuderende Matt Matzelle og Bernardo Barbiellini, en beregningsmæssig og teoretisk fysiker ved Lappeenranta University of Technology, som i øjeblikket besøger Northeastern, deltog i forskningen.

At illustrere holdenes resultater kræver betydelig forstørrelse (bogstaveligt talt) for at observere verden af ​​partikler i atomare skala - specifikt ved elektronernes nano-liv. Det kræver også en forståelse af flere egenskaber ved elektroner - at de besidder noget, der kaldes "spin", har en ladning og kan, når de bevæger sig gennem et materiale, generere varmestrøm.

Elektronspin, eller vinkelmomentum, beskriver en fundamental egenskab ved elektroner defineret i en af ​​to potentielle tilstande:Op eller ned. Der er mange forskellige måder, hvorpå disse "op eller ned" spins af elektronerne (også tænkt som nord-syd-poler) orienterer sig i rummet, hvilket igen giver anledning til forskellige typer magnetisme. Det hele afhænger, siger Bansil, af den måde, atomer er mønstret i et givet materiale.

I et magnetisk system har spindene i det pågældende materiale typisk rettet sig i samme retning. Det elektronarrangement i magnetiske (eller "ferromagnetiske") krystaller er det, der frembringer den kraft, der tiltrækker eller frastøder andre krystaller. Masser af magnetiske materialer leder også elektricitet, når elektroner er i stand til at strømme gennem dem. Disse materialer kaldes ledere, da de er i stand til at lede elektricitet.

Udover at generere en elektrisk strøm, fører elektronernes bevægelse gennem et materiale også en varmestrøm. Når et eksternt elektromagnetisk felt påføres materialer, der leder elektricitet, opstår der en varmestrøm.

"Varme er netop, når disse elektroner jiggler rundt hurtigere eller langsommere, så som et resultat kan de bære mere eller mindre termisk energi," siger Bansil.

Normalt løber spinstrømmen i samme retning som varmestrømmen, siger Bansil. Men i de specifikke materialer, der er brugt i denne undersøgelse, "flyder det vinkelret på retningen af ​​varmestrømmen."

"Det er det nye her," siger Bansil.

Det er denne "uventede" interaktion, der åbner døren til nye måder at tænke energiproduktion på.

"Det, vi ønsker at gøre, er at skabe en strøm af magnetisme, der genererer elektrisk strøm, og måden du gør det på er ved at generere en spænding," siger Fiete.

For at gøre det kombinerede forskere det antiferromagnetiske isoleringsmateriale (her LaFeO3) med et andet tungere element, såsom platin eller wolfram, som er ledere. Koblingen kaster elektronerne en anelse ud af vandet.

"Dette særlige materiale har de spins, der på de nærmeste naboatomer er næsten perfekt anti-orienterede," siger Fiete, "hvilket betyder, at de er en lille smule skråtstillede. De er ikke perfekt anti-orienterede - de er for det meste, men der er lidt af et twist. Og den lille offset er faktisk meget vigtig, fordi det er en del af det, der giver anledning til de interessante effekter, som vi ser i projektet."

Det er det, der giver denne særlige klasse af materialer sit navn:Canted antiferromagnet.

En ny klasse af elektroniske enheder, såkaldt "spintronics", er afhængige af manipulation af elektronspin med det formål at forbedre informationsbehandlingskapaciteter i fremtidige teknologier. Et andet relateret felt, kaldet spin-caloritronics, fokuserer på "hvordan du konverterer varmeflow til magnetisme- eller spinflow og i sidste ende til en spænding," siger Fiete.

"Materialernes kvantefysik er af særlig interesse, fordi den er direkte forbundet med en masse teknologier:Teknologier inden for kvanteberegning, kvantesansning og kvantekommunikation," siger Fiete. "Og ideen, der virkelig vinder indpas ... lige nu er:Hvordan overfører vi forskning fra universitetet, ligesom den slags mit team er involveret i, til teknologier, der vil påvirke den måde, vi lever vores liv på?" + Udforsk yderligere

'Opdagelse af den hellige gral' i faststoffysik kunne indlede nye teknologier