Los científicos han descubierto un estado magnético exótico de la materia

Los científicos identifican un estado magnético largamente buscado predicho hace casi 60 años.

Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. han descubierto un estado magnético de la materia predicho hace mucho tiempo llamado “aislante excitónico antiferromagnético”.

“En términos generales, este es un tipo de imán novedoso”, dijo Mark Dean, físico de Brookhaven Lab, autor principal de un artículo que describe la investigación que se acaba de publicar en Comunicaciones de la naturaleza. “Dado que los materiales magnéticos se encuentran en el corazón de gran parte de la tecnología que nos rodea, los nuevos tipos de imanes son fundamentalmente fascinantes y prometedores para futuras aplicaciones”.

El nuevo estado magnético implica una fuerte atracción magnética entre los electrones en un material en capas que hace que los electrones quieran organizar sus momentos magnéticos, o “espines”, en un patrón “antiferromagnético” regular de arriba hacia abajo. La idea de que tal antiferromagnetismo podría ser impulsado por un peculiar acoplamiento de electrones en un material aislante se predijo por primera vez en la década de 1960 cuando los físicos exploraron las diferentes propiedades de los metales, semiconductores y aislantes.

Fase histórica de la materia

Una impresión artística de cómo el equipo identificó esta fase histórica de la materia. Los investigadores usaron rayos X para medir cómo se mueven los espines (flechas azules) cuando son perturbados y pudieron demostrar que oscilan en longitud en el patrón ilustrado arriba. Este comportamiento especial ocurre porque la cantidad de carga eléctrica en cada sitio (que se muestra como discos amarillos) también puede variar y es la huella digital que se utiliza para determinar el comportamiento novedoso. Crédito: Laboratorio Nacional de Brookhaven

“Hace sesenta años, los físicos apenas comenzaban a considerar cómo se aplican las reglas de la mecánica cuántica a las propiedades electrónicas de los materiales”, dijo Daniel Mazzone, exfísico del Laboratorio Brookhaven que dirigió el estudio y ahora trabaja en el Instituto Paul Scherrer en Suiza. “Estaban tratando de averiguar qué sucede cuando se hace que la ‘brecha de energía’ electrónica entre un aislante y un conductor sea cada vez más pequeña. ¿Simplemente cambia un aislador simple en un metal simple donde los electrones pueden moverse libremente, o sucede algo más interesante?

La predicción fue que, bajo ciertas condiciones, podrías obtener algo más interesante: a saber, el “aislante excitónico antiferromagnético” que acaba de descubrir el equipo de Brookhaven.

¿Por qué este material es tan exótico e interesante? Para entender, profundicemos en esos términos y exploremos cómo se forma este nuevo estado de la materia.

En un antiferromagnético, los electrones de los átomos adyacentes tienen sus ejes de polarización magnética (espines) alineados en direcciones alternas: arriba, abajo, arriba, abajo, etc. En la escala de todo el material, esas orientaciones magnéticas internas alternas se cancelan entre sí, lo que da como resultado que no haya magnetismo neto en el material en general. Dichos materiales se pueden cambiar rápidamente entre diferentes estados. También son resistentes a la pérdida de información debido a la interferencia de campos magnéticos externos. Estas propiedades hacen que los materiales antiferromagnéticos sean atractivos para las tecnologías de comunicación modernas.

Equipo científico de la nueva fase de la materia

Los miembros del equipo de investigación incluyen a: Daniel Mazzone (antes de Brookhaven Lab, ahora en el Paul Scherrer Institut en Suiza), Yao Shen (Brookhaven Lab), Gilberto Fabbris (Argonne National Laboratory), Hidemaro Suwa (Universidad de Tokio y Universidad de Tennessee ), Hu Miao (Laboratorio Nacional de Oak Ridge—ORNL), Jennifer Sears* (Brookhaven Lab), Jian Liu (U Tennessee), Christian Batista (U Tennessee y ORNL) y Mark Dean (Brookhaven Lab). Crédito: Varias fuentes incluyendo *DESY, Marta Mayer

A continuación tenemos excitónico. Los excitones surgen cuando ciertas condiciones permiten que los electrones se muevan e interactúen fuertemente entre sí para formar estados ligados. Los electrones también pueden formar estados ligados con “agujeros”, las vacantes que quedan cuando los electrones saltan a una posición o nivel de energía diferente en un material. En el caso de las interacciones electrón-electrón, la unión es impulsada por atracciones magnéticas que son lo suficientemente fuertes como para superar la fuerza de repulsión entre las dos partículas con carga similar. En el caso de interacciones electrón-hueco, la atracción debe ser lo suficientemente fuerte como para superar la “brecha de energía” del material, una característica de un aislante.

“Un aislante es lo opuesto a un metal; es un material que no conduce la electricidad”, dijo Dean. Los electrones en el material generalmente permanecen en un estado de energía bajo o “tierra”. “Todos los electrones están atascados en su lugar, como personas en un anfiteatro lleno; no pueden moverse”, dijo. Para hacer que los electrones se muevan, tienes que darles un impulso de energía que sea lo suficientemente grande como para superar una brecha característica entre el estado fundamental y un nivel de energía más alto.

En circunstancias muy especiales, la ganancia de energía de las interacciones magnéticas de electrones y huecos puede compensar el costo de energía de los electrones que saltan a través de la brecha de energía.

Ahora, gracias a técnicas avanzadas, los físicos pueden explorar esas circunstancias especiales para aprender cómo surge el estado del aislante excitónico antiferromagnético.

Un equipo de colaboración trabajó con un material llamado óxido de iridio de estroncio (Sr3ir2O7), que es apenas aislante a alta temperatura. Daniel Mazzone, Yao Shen (Laboratorio de Brookhaven), Gilberto Fabbris (Laboratorio Nacional de Argonne) y Jennifer Sears (Laboratorio de Brookhaven) usaron rayos X en Advanced Photon Source, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional de Argonne, para medir la interacciones magnéticas y el costo de energía asociado de los electrones en movimiento. Jian Liu y Junyi Yang de la Universidad de Tennessee y los científicos de Argonne Mary Upton y Diego Casa también hicieron contribuciones importantes.

El equipo comenzó su investigación a alta temperatura y enfrió gradualmente el material. Con el enfriamiento, la brecha energética se redujo gradualmente. A 285 Kelvin (alrededor de 53 grados[{” 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

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