Ilmuwan Telah Menemukan Keadaan Magnetik Materi yang Eksotis

Para ilmuwan mengidentifikasi keadaan magnet yang telah lama dicari diprediksi hampir 60 tahun yang lalu.

Para ilmuwan di Laboratorium Nasional Brookhaven Departemen Energi AS telah menemukan keadaan magnetik materi yang telah lama diprediksi yang disebut “isolator eksitonik antiferromagnetik.”

“Secara garis besar, ini adalah jenis magnet baru,” kata fisikawan Brookhaven Lab Mark Dean, penulis senior pada makalah yang menjelaskan penelitian yang baru saja diterbitkan di Komunikasi Alam. “Karena bahan magnetik terletak di jantung sebagian besar teknologi di sekitar kita, jenis magnet baru pada dasarnya menarik dan menjanjikan untuk aplikasi masa depan.”

Keadaan magnet baru melibatkan daya tarik magnet yang kuat antara elektron dalam bahan berlapis yang membuat elektron ingin mengatur momen magnetiknya, atau “berputar,” menjadi pola “antiferromagnetik” naik-turun yang teratur. Gagasan bahwa antiferromagnetisme semacam itu dapat didorong oleh kopling elektron yang unik dalam bahan isolasi pertama kali diprediksi pada 1960-an ketika fisikawan mengeksplorasi sifat yang berbeda dari logam, semikonduktor, dan isolator.

Kesan seorang seniman tentang bagaimana tim mengidentifikasi fase materi yang bersejarah ini. Para peneliti menggunakan sinar-x untuk mengukur bagaimana putaran (panah biru) bergerak ketika mereka terganggu dan mampu menunjukkan bahwa mereka berosilasi panjang dalam pola yang diilustrasikan di atas. Perilaku khusus ini terjadi karena jumlah muatan listrik di setiap lokasi (ditunjukkan sebagai cakram kuning) juga dapat bervariasi dan merupakan sidik jari yang digunakan untuk menentukan perilaku baru. Kredit: Laboratorium Nasional Brookhaven

“Enam puluh tahun yang lalu, fisikawan baru mulai mempertimbangkan bagaimana aturan mekanika kuantum berlaku untuk sifat elektronik bahan,” kata Daniel Mazzone, mantan fisikawan Brookhaven Lab yang memimpin penelitian dan sekarang di Institut Paul Scherrer di Swiss. “Mereka mencoba mencari tahu apa yang terjadi saat Anda membuat ‘celah energi’ elektronik antara isolator dan konduktor yang semakin kecil. Apakah Anda hanya mengubah isolator sederhana menjadi logam sederhana di mana elektron dapat bergerak bebas, atau apakah sesuatu yang lebih menarik terjadi?

Prediksinya adalah, dalam kondisi tertentu, Anda bisa mendapatkan sesuatu yang lebih menarik: yaitu, “isolator eksitonik antiferromagnetik” yang baru saja ditemukan oleh tim Brookhaven.

Mengapa bahan ini begitu eksotis dan menarik? Untuk memahaminya, mari selami istilah-istilah itu dan jelajahi bagaimana wujud materi baru ini terbentuk.

Dalam antiferromagnet, elektron pada atom yang berdekatan memiliki sumbu polarisasi magnetik (berputar) sejajar dalam arah bolak-balik: atas, bawah, atas, bawah dan seterusnya. Pada skala seluruh material, orientasi magnet internal yang bergantian itu saling meniadakan, sehingga tidak ada magnetisme bersih dari keseluruhan material. Bahan-bahan tersebut dapat dialihkan dengan cepat di antara keadaan yang berbeda. Mereka juga tahan terhadap informasi yang hilang karena gangguan dari medan magnet eksternal. Sifat-sifat ini membuat bahan antiferromagnetik menarik untuk teknologi komunikasi modern.

Anggota tim peneliti meliputi: Daniel Mazzone (sebelumnya dari Brookhaven Lab, sekarang di Institut Paul Scherrer di Swiss), Yao Shen (Brookhaven Lab), Gilberto Fabbris (Laboratorium Nasional Argonne), Hidemaro Suwa (University of Tokyo dan University of Tennessee). ), Hu Miao (Oak Ridge National Laboratory—ORNL), Jennifer Sears* (Brookhaven Lab), Jian Liu (U Tennessee), Christian Batista (U Tennessee dan ORNL), dan Mark Dean (Brookhaven Lab). Kredit: Berbagai sumber termasuk *DESY, Marta Mayer

Selanjutnya kita memiliki excitonic. Excitons muncul ketika kondisi tertentu memungkinkan elektron untuk bergerak dan berinteraksi kuat satu sama lain untuk membentuk keadaan terikat. Elektron juga dapat membentuk keadaan terikat dengan “lubang”, kekosongan yang ditinggalkan ketika elektron melompat ke posisi atau tingkat energi yang berbeda dalam suatu material. Dalam kasus interaksi elektron-elektron, pengikatan didorong oleh gaya tarik magnet yang cukup kuat untuk mengatasi gaya tolak menolak antara dua partikel bermuatan serupa. Dalam kasus interaksi elektron-lubang, daya tarik harus cukup kuat untuk mengatasi “celah energi” material, karakteristik isolator.

“Isolator adalah kebalikan dari logam; itu bahan yang tidak menghantarkan listrik,” kata Dean. Elektron dalam materi umumnya tetap dalam keadaan energi rendah, atau “tanah”. “Elektron semuanya macet di tempatnya, seperti orang-orang di amfiteater yang penuh; mereka tidak bisa bergerak,” katanya. Untuk membuat elektron bergerak, Anda harus memberi mereka dorongan energi yang cukup besar untuk mengatasi kesenjangan karakteristik antara keadaan dasar dan tingkat energi yang lebih tinggi.

Dalam keadaan yang sangat khusus, perolehan energi dari interaksi lubang elektron magnetik dapat melebihi biaya energi elektron yang melompat melintasi celah energi.

Sekarang, berkat teknik-teknik canggih, fisikawan dapat menjelajahi keadaan khusus tersebut untuk mempelajari bagaimana keadaan isolator eksitonik antiferromagnetik muncul.

Sebuah tim kolaboratif bekerja dengan bahan yang disebut strontium iridium oxide (Sr₃Ir₂HAI₇), yang hanya hampir tidak terisolasi pada suhu tinggi. Daniel Mazzone, Yao Shen (Brookhaven Lab), Gilberto Fabbris (Argonne National Laboratory), dan Jennifer Sears (Brookhaven Lab) menggunakan sinar-x di Advanced Photon Source—fasilitas pengguna DOE Office of Science di Argonne National Laboratory—untuk mengukur interaksi magnetik dan biaya energi yang terkait dari elektron yang bergerak. Jian Liu dan Junyi Yang dari Universitas Tennessee dan ilmuwan Argonne Mary Upton dan Diego Casa juga memberikan kontribusi penting.

Tim memulai penyelidikan mereka pada suhu tinggi dan secara bertahap mendinginkan material. Dengan pendinginan, kesenjangan energi secara bertahap menyempit. Pada 285 Kelvin (sekitar 53 derajat[{” 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