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美國(guó)能源部布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種被稱為“反鐵磁激子絕緣體”的物質(zhì)的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)的磁性狀態(tài)。

“廣義上說，這是一種新型磁鐵，”布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家馬克·迪恩說，他是《自然通訊》上一篇關(guān)于這項(xiàng)工作的論文的資深作者。“由于磁性材料是我們周圍許多技術(shù)的核心，新型磁鐵從根本上來說非常吸引人，未來的應(yīng)用前景也很有希望。”

新的磁性狀態(tài)涉及到層狀材料中電子之間的強(qiáng)磁性吸引，使電子想要排列它們的磁矩，或“自旋”，進(jìn)入一個(gè)規(guī)則的上下“反鐵磁”模式。20世紀(jì)60年代，物理學(xué)家們?cè)谔剿鹘饘佟雽?dǎo)體和絕緣體的不同特性時(shí)，首次預(yù)測(cè)到這種反鐵磁性可以由絕緣材料中古怪的電子耦合驅(qū)動(dòng)。

“60年前，物理學(xué)家才剛剛開始考慮量子力學(xué)規(guī)則如何應(yīng)用于材料的電子性質(zhì)，”領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的前布魯克海文實(shí)驗(yàn)室(Brookhaven Lab)物理學(xué)家丹尼爾·馬佐尼(Daniel Mazzone)說，他目前在瑞士的保羅·謝勒研究所(Paul Scherrer institute)工作。“他們?cè)噲D弄清楚，當(dāng)絕緣體和導(dǎo)體之間的電子‘能隙’越來越小時(shí)會(huì)發(fā)生什么。你只是把一個(gè)簡(jiǎn)單的絕緣體變成一個(gè)簡(jiǎn)單的金屬，讓電子可以自由移動(dòng)，還是會(huì)發(fā)生更有趣的事情？”

預(yù)測(cè)是，在特定條件下，你可以得到更有趣的東西：即，布魯克海文團(tuán)隊(duì)剛剛發(fā)現(xiàn)的“反鐵磁激子絕緣體”。

在反鐵磁體中，相鄰原子上的電子的磁極化軸(自旋)沿交替方向排列：上、下、上、下，等等。在整個(gè)材料的尺度上，這些交替的內(nèi)部磁性方向相互抵消，導(dǎo)致材料作為一個(gè)整體沒有凈磁性。

這種反鐵磁材料可以在不同的狀態(tài)之間快速切換。它們還能抵抗外部磁場(chǎng)干擾造成的信息丟失。這些特性使反鐵磁材料對(duì)現(xiàn)代通信技術(shù)具有吸引力。

激子這個(gè)術(shù)語是指激子，當(dāng)某些條件允許電子四處移動(dòng)并與另一個(gè)強(qiáng)相互作用形成束縛態(tài)時(shí)，激子就產(chǎn)生了。電子也可以通過“空穴”形成束縛態(tài)，即當(dāng)電子躍遷到材料的不同位置或能級(jí)時(shí)所留下的空位。在電子-電子相互作用的情況下，這種結(jié)合是由磁性吸引力驅(qū)動(dòng)的，這種磁力強(qiáng)大到足以克服兩個(gè)帶電粒子之間的排斥力。在電子-空穴相互作用的情況下，引力必須足夠強(qiáng)，以克服材料的“能隙”，這是絕緣體的特征。

“絕緣體是金屬的反義詞；這是一種不導(dǎo)電的材料，”迪恩解釋說。物質(zhì)中的電子通常處于低能級(jí)或“基態(tài)”。

“電子都被卡在一個(gè)地方，就像人們?cè)谝粋€(gè)擠滿了人的圓形劇場(chǎng)；他們不能四處走動(dòng)，”他說。為了讓電子移動(dòng)，你必須給它們一個(gè)足夠大的能量提升來克服基態(tài)和更高能級(jí)之間的特征間隙。在非常特殊的情況下，從磁電子-空穴相互作用中獲得的能量可以克服電子跨越能隙所消耗的能量。

現(xiàn)在，由于先進(jìn)的技術(shù)，物理學(xué)家可以探索這些特殊的情況，以了解反鐵磁激子絕緣體狀態(tài)是如何出現(xiàn)的。

一個(gè)合作團(tuán)隊(duì)使用了一種叫做鍶銥氧化物(Sr3Ir2O7)的材料，這種材料在高溫下僅能勉強(qiáng)絕緣。Mazzone與布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的Yao Shen和Jennifer Sears以及Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Gilberto Fabbris一起，在先進(jìn)光子源(美國(guó)能源部科學(xué)辦公室在Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)用戶設(shè)施)上使用x射線來測(cè)量磁性相互作用和移動(dòng)電子的相關(guān)能量成本。來自田納西大學(xué)的劉健和楊君毅以及阿貢大學(xué)的科學(xué)家瑪麗·厄普頓和迭戈·卡薩也做出了重要貢獻(xiàn)。

研究小組在高溫下開始了他們的研究，并逐漸冷卻了材料。隨著冷卻，能量差距逐漸縮小。在285K(約53華氏度)時(shí)，電子開始在材料的磁性層之間跳躍，但立即與它們留下的空穴形成結(jié)合對(duì)，同時(shí)觸發(fā)相鄰電子自旋的反鐵磁排列。田納西大學(xué)的Hidemaro Suwa和Christian Batista進(jìn)行了計(jì)算，以預(yù)測(cè)的反鐵磁激子絕緣子概念為基礎(chǔ)開發(fā)了一個(gè)模型，并表明該模型全面解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

“使用x射線，我們觀察到電子和空穴之間相互吸引所觸發(fā)的結(jié)合實(shí)際上比電子躍過帶隙時(shí)釋放出更多的能量，”Shen解釋說。“因?yàn)檫@個(gè)過程節(jié)省了能量，所有的電子都想這樣做。然后，在所有的電子都完成了躍遷之后，就電子和自旋的整體排列而言，材料看起來與高溫狀態(tài)不同。新的構(gòu)型包括電子自旋以反鐵磁模式有序排列，而結(jié)合對(duì)創(chuàng)造了一個(gè)‘鎖定’的絕緣狀態(tài)。”

反鐵磁激子絕緣子的識(shí)別完成了一個(gè)漫長(zhǎng)的旅程，探索電子選擇安排自己在材料中迷人的方式。在未來，了解這種材料中自旋和電荷之間的聯(lián)系可能會(huì)有潛力實(shí)現(xiàn)新技術(shù)。

本文改編自布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的材料，由《今日材料》編輯修改。本文所表達(dá)的觀點(diǎn)并不一定代表愛思唯爾的觀點(diǎn)。鏈接到原始資料。

研究人員使用x射線來測(cè)量自旋(藍(lán)色箭頭)在受到干擾時(shí)的運(yùn)動(dòng)方式，并能夠顯示出它們?cè)陂L(zhǎng)度上的振蕩模式，如圖所示。之所以會(huì)出現(xiàn)這種特殊的行為，是因?yàn)槊總€(gè)部位的電荷量(如黃色圓盤所示)也可以變化，這是用來確定新行為的指紋。圖片：布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。

研究人員使用x射線來測(cè)量自旋(藍(lán)色箭頭)在受到干擾時(shí)的運(yùn)動(dòng)方式，并能夠顯示出它們?cè)陂L(zhǎng)度上的振蕩模式，如圖所示。之所以會(huì)出現(xiàn)這種特殊的行為，是因?yàn)槊總€(gè)部位的電荷量(如黃色圓盤所示)也可以變化，這是用來確定新行為的指紋。圖片：布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。