Gli scienziati identificano uno stato magnetico a lungo ricercato per quasi 60 anni.

Gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti hanno scoperto uno stato magnetico a lungo atteso del materiale chiamato “isolante eccitonico antimagnetico”.

Mark Dean, fisico del Brookhaven Lab e autore senior di un articolo che descrive la ricerca appena pubblicata in Comunicazioni sulla natura. “Con i materiali magnetici al centro di così tante tecnologie intorno a noi, i nuovi tipi di magneti sono fondamentalmente affascinanti e promettenti per applicazioni future”.

Il nuovo stato magnetico comporta una forte attrazione magnetica tra gli elettroni in un materiale stratificato che fa sì che gli elettroni vogliano organizzare i loro momenti magnetici, o “ruotare”, in uno schema “antimagnetico” regolare dall’alto verso il basso. L’idea di tale antiferromagnetismo è stata prevista per la prima volta dall’accoppiamento di elettroni ritorti in un isolante negli anni ’60, quando i fisici hanno scoperto le diverse proprietà di metalli, semiconduttori e isolanti.

Un’impressione artistica di come il team ha identificato questa fase storica del materiale. I ricercatori hanno utilizzato i raggi X per misurare come si muovono le spinule (frecce blu) quando sono turbolente e sono stati in grado di mostrare che oscillano in lunghezza secondo lo schema mostrato sopra. Questo comportamento particolare si verifica perché anche la quantità di carica elettrica in ciascuna posizione (mostrata come dischi gialli) può variare ed è l’impronta digitale utilizzata per determinare il nuovo comportamento. Credito: Laboratorio nazionale di Brookhaven

“Sessant’anni fa, i fisici stavano appena iniziando a studiare come applicare le regole della meccanica quantistica alle proprietà elettroniche dei materiali”, ha affermato Daniel Mazon, l’ex fisico del Brookhaven Laboratory che ha guidato lo studio e che ora si trova al Paul Scherer Institute di Svizzera. “Stavano cercando di capire cosa succede quando rimpicciolisci sempre più il ‘divario energetico’ elettronico tra un isolante e un conduttore. Cambia semplicemente un semplice isolante in un semplice metallo in cui gli elettroni possono muoversi liberamente, o succede qualcosa di più interessante ?”

L’aspettativa era che, a determinate condizioni, si potesse ottenere qualcosa di più interessante: l'”eccitazione antiferromagnetica” appena scoperta dal team di Brookhaven.

Perché questo articolo è così strano e interessante? Per capirlo, tuffiamoci in questi termini ed esploriamo come si forma questo nuovo stato della materia.

In un antiferromagnete, gli elettroni sugli atomi vicini hanno assi di polarizzazione magnetica (spin) in direzioni alternate: su, giù, su, giù e così via. Sulla scala dell’intero materiale, queste direzioni magnetiche interne alternate si annullano a vicenda, risultando in nessun magnetismo netto del materiale aggregato. Questi materiali possono essere scambiati rapidamente tra diversi stati. Resiste inoltre alla perdita di informazioni dovuta all’interferenza di campi magnetici esterni. Queste proprietà rendono i materiali antimagnetici attraenti per le moderne tecnologie di comunicazione.

I membri del team di ricerca includono: Daniel Mazon (ex Brookhaven Lab, ora al Paul Scherrer Institute in Svizzera), Yao Shen (Brookhaven Lab), Gilberto Fabbris (Argonne National Laboratory), Hidemaro Suwa (Università di Tokyo e Università del Tennessee), Ho Miu (Oak Ridge National Laboratory-ORNL), Jennifer Sears* (Brookhaven Lab), Jian Liu (U TN), Christian Batista (U TN e ORNL) e Mark Dean (Brookhaven Lab). Credito: varie fonti tra cui *DESY, Marta Meyer

Poi abbiamo l’eccitonico. Gli eccitoni si verificano quando determinate condizioni consentono agli elettroni di muoversi e interagire fortemente tra loro per formare stati legati. Gli elettroni possono anche formare stati associati a “buchi”, che sono posti vacanti lasciati quando gli elettroni saltano in una posizione o livello di energia diversi in un materiale. Nel caso delle interazioni elettrone-elettrone, il legame è guidato da attrazioni magnetiche abbastanza forti da superare la forza repulsiva tra le due particelle simili. Nel caso di interazioni elettrone-lacuna, l’attrazione deve essere sufficientemente forte da superare il “gap energetico” nel materiale, caratteristica di un isolante.

“Un isolante è l’opposto di un metallo; è un materiale che non conduce elettricità”, ha detto Dean. “Gli elettroni nel materiale generalmente rimangono in uno stato di bassa energia, o “fondamentale”. “Tutti gli elettroni sono stipati al suo posto, come le persone in un anfiteatro pieno; Egli ha detto. Per far muovere gli elettroni, devi dare loro una spinta di energia abbastanza grande da superare il caratteristico divario tra lo stato fondamentale e un livello di energia più elevato.

In circostanze molto speciali, il guadagno di energia dalle interazioni magnetiche elettrone-lacuna può superare il costo energetico degli elettroni che saltano attraverso il buco energetico.

Ora, grazie a tecnologie avanzate, i fisici possono esplorare quelle condizioni speciali per vedere come potrebbe apparire lo stato dell’isolante assitonico antiferromagnetico.

Un team collaborativo ha lavorato utilizzando un materiale chiamato ossido di iridio di stronzio (Sr.).₃Infrarossi₂un₇), che non è certo un isolante ad alta temperatura. Daniel Mazzoni, Yao Shen (Brookhaven Laboratory), Gilberto Fabrice (Argonne National Laboratory) e Jennifer Sears (Brookhaven Laboratory) hanno utilizzato i raggi X presso l’Advanced Photon Source, una struttura utente dell’Office of Science del Department of Energy presso l’Argonne National Laboratory —per misurare le interazioni magnetiche e i costi energetici associati agli elettroni in movimento. Anche Jian Liu e Johnny Yang dell’Università del Tennessee e gli studiosi di Argonne Mary Upton e Diego Casa hanno dato importanti contributi.

Il team ha iniziato le indagini ad alta temperatura e ha gradualmente raffreddato il materiale. Con il raffreddamento, il gap di potenza si è gradualmente ridotto. a 285 K (circa 53 gradi[{” 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