历经60年追寻!物质新磁态或终“现形”

该新物质态的艺术图。图片来源:物理学家组织网科技日报记者刘霞据物理学家组织网22日报道,美国科学家在最新一期《自然·通讯》杂志上撰文称,他们发现了一种被称为“反铁磁激子绝缘体”的物质的磁态。从广义上来说,这是一种新型磁铁,鉴于磁…

该新物质态的艺术图。图片来源:物理学家组织网

科技日报记者 刘霞

据物理学家组织网22日报道,美国科学家在最新一期《自然·通讯》杂志上撰文称,他们发现了一种被称为“反铁磁激子绝缘体”的物质的磁态。从广义上来说,这是一种新型磁铁,鉴于磁材料是现在很多技术的核心,这种新型磁铁有望应用于通信等诸多领域。

最新研究负责人之一、布鲁克海文国家实验室物理学家马克·迪恩指出,这种新磁态涉及层状材料内电子之间的强磁吸引,这种吸引使电子的磁矩(自旋)排列成规则的上、下“反铁磁性”模式。20世纪60年代,科学家首次预测这种反铁磁性可能由绝缘材料内的电子耦合形成。这种反铁磁性材料可以在不同状态之间快速切换,还能保护信息不会由于外部磁场干扰而丢失,因此对现代通信技术具有吸引力。

迪恩进一步解释说:“绝缘体是一种不导电的材料,材料中的电子通常处于低能或‘地’能状态。电子被卡在适当位置,不能四处移动。如果电子能四处移动并相互强烈作用形成束缚态,就会产生激子。为让电子移动,必须给它们一个足够大的能量,以克服基态和更高能级之间的能隙。而在非常特殊的情况下,磁性的电子-空穴(电子跃迁到材料中不同能级时留下的空位)之间的相互作用产生的能量增益可以超过电子跨越能隙所需的能量。”

随着技术的不断进步,物理学家可以探索这些特殊情况,了解反铁磁激子绝缘体态是如何出现的。

在最新研究中,科学家们研究了名为氧化锶铱的材料,这种材料在高温下几乎没有绝缘性。该小组在高温下开始调查,并逐渐冷却材料。随着冷却,材料内的能隙逐渐缩小。在12摄氏度时,电子开始在材料的磁性层之间跃迁,但立即与它们留下的空穴形成束缚对,同时触发相邻电子自旋的反铁磁排列。科学家利用预测的反铁磁激子绝缘体的概念进行计算,结果表明该模型能很好地解释实验结果。

研究人员称,未来了解这种材料内自旋和电荷之间的联系有望催生新技术。

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