Учени от Националната лаборатория Брукхейвън на Министерството на енергетиката на САЩ откриха магнитно състояние на материята, предсказано преди почти 60 години, наречено "антиферомагнитен екситонен изолатор".
Новото магнитно състояние включва силно магнитно привличане между електроните в слоестия материал, което кара електроните да подреждат своите магнитни моменти или „завъртания“ в правилен „антиферомагнитен“ модел нагоре и надолу. Такъв антиферомагнетизъм може да бъде причинен от химерна електронна връзка в изолационния материал. Тази връзка е предсказана за първи път през 1960-те години на миналия век, когато физиците са изучавали различните свойства на металите, полупроводниците и изолаторите.
„Преди XNUMX години физиците едва започваха да мислят как правилата на квантовата механика се прилагат към електронните свойства на материалите. Те се опитаха да разберат какво се случва, когато електронната "енергийна празнина" между изолатора и проводника става все по-малка. Възниква въпросът: просто ще превърнем ли обикновен изолатор в метал, в който електроните могат да се движат свободно, или ще се случи нещо по-интересно?", каза ученият Даниел Мацоне. Беше предсказано, че при определени условия може да се получи "антиферомагнитен екситонен изолатор" - точно това, което откри екипът на Brookhaven. Учените разказаха какво прави този материал толкова екзотичен и интересен.
При антиферомагнетизма осите на магнитната поляризация (завъртанията) на електроните на съседните атоми са ориентирани в редуващи се посоки: нагоре, надолу, нагоре, надолу и т.н. В мащаба на целия материал тези редуващи се вътрешни магнитни ориентации взаимно се компенсират, което води до липса на нетен магнетизъм в целия материал. Такива материали могат бързо да се превключват между различни състояния. Те също така са устойчиви на загуба на информация поради смущения от външни магнитни полета. Тези характеристики правят антиферомагнитните материали привлекателни за съвременните комуникационни технологии.
Екситоните се появяват, когато определени условия позволяват на електроните да се движат и да взаимодействат силно един с друг, образувайки свързани състояния. Електроните също могат да образуват свързани състояния с „дупки“ – празни пространства, останали след като електроните се преместят на друга позиция или енергийно ниво в даден материал. При взаимодействията "електрон-електрон" връзката се дължи на магнитно привличане - достатъчно силно, за да преодолее силата на отблъскване между две еднакво заредени частици. При "електрон-дупка" - привличането трябва да е достатъчно силно, за да преодолее "енергийната празнина" на материала, характерна за изолатор.
„Изолаторът е обратното на метала. Това е материал, който не провежда електричество. Електроните в даден материал обикновено остават в ниско или „основно“ енергийно състояние. Всички електрони сякаш се забиват на място, като хора в претъпкан автобус. За да накарате електроните да се движат, трябва да им дадете достатъчно енергия, за да преодолеете характерната празнина между основното състояние и по-високо енергийно ниво“, каза физикът Марк Дийн.
При много специални обстоятелства печалбата в енергия от магнитните взаимодействия "електрон-дупка" може да надхвърли енергийните разходи на електроните, "прескачащи" през "енергийната празнина". Сега, благодарение на усъвършенстваните техники, физиците могат да изследват тези специални обстоятелства, за да научат как възниква състоянието на изолатор на антиферомагнитен екситон.
Учените започнали изследването си при високи температури и постепенно охладили материала. Докато се охлаждаше, енергийната празнина постепенно се стеснява. При около 11°C електроните започват да "скачат" между магнитните слоеве на материала, но веднага образуват свързани двойки с "дупките", оставени от тях, като едновременно с това задействат антиферомагнитното подреждане на съседните електронни завъртания.
„Използвайки рентгенови лъчи, наблюдавахме, че свързването, причинено от привличането между електрони и дупки, всъщност връща повече енергия, отколкото когато един електрон прескача през забранената лента.“ обясни учени
Идентифицирането на антиферомагнитен изолаторен екситон завършва дългото пътуване на изучаване на очарователните начини, по които електроните избират местоположението си в материалите. В бъдеще разбирането на връзката между въртене и заряд в такива материали може да има потенциала за реализиране на нови технологии.
Прочетете също:
Оставете коментар