Forskare från Brown University har experimentellt visat hur en unik form av magnetism uppstår i en udda klass av material som kallas Mott -isolatorer. Fynden är ett steg mot en bättre förståelse av kvanttillstånden för dessa material, som har väckt stort intresse bland forskare under de senaste åren.

Studien, publicerad i Naturkommunikation , hjälper till att bekräfta nytt teoretiskt arbete som försöker förklara hur elektroner beter sig i dessa konstiga material. Arbetet gjordes i samarbete med forskare vid Stanford University och National High Magnetic Field Laboratory.

"Vi fann att teorin håller bra, "sa Vesna Mitrović, en docent i fysik vid Brown som ledde arbetet. "Det visar att denna nya teori, baserat på kvantmodeller som involverar komplicerade elektronspinninteraktioner, är en bra början för att förstå magnetism i starkt interagerande material. "

Mottisolatorer är material som bör vara ledare enligt traditionella teorier om elektrisk konduktivitet, men fungera som isolatorer ändå. Det isolerande tillståndet uppstår eftersom elektroner i dessa material är starkt korrelerade och stöter bort varandra. Den dynamiken skapar ett slags elektronstopp, förhindrar att partiklarna flödar för att bilda en ström.

Forskare är hoppfulla att de kan hitta sätt att flytta dessa material in och ut ur Mott -isoleringstillståndet, vilket skulle vara användbart för att utveckla nya typer av funktionella enheter. Det har också visats att genom att införa föroreningar i deras struktur, vissa Mott-isolatorer blir supraledare vid hög temperatur-material som kan leda elektricitet utan motstånd vid temperaturer långt över de som normalt krävs för supraledning.

Trots löftet om dessa material, forskare förstår fortfarande inte helt hur de fungerar. En fullständig beskrivning av elektrontillstånd i dessa material har varit svårfångad. På den mest grundläggande nivån, varje enskild elektron kännetecknas av sin laddning och snurrning, dess lilla magnetiska ögonblick som pekar antingen uppåt eller nedåt. Det är svårt att förutsäga elektronegenskaper i Mott -isolatorer eftersom elektronernas tillstånd är så nära korrelerade med varandra - tillståndet för en elektron påverkar tillstånden hos sina grannar.

För att komplicera saken ytterligare, många Mott-isolatorer uppvisar vad som kallas spin-orbit-koppling, vilket betyder att varje elektrons snurr förändras när den kretsar en atomkärna. Spinn-omloppskoppling innebär att elektronens magnetmoment påverkas av dess kretsande en atomkärna, och därför är spinn av en elektron inte väldefinierad. Således, förutsäga egenskaper hos dessa material kräver kunskap om interaktioner mellan elektronerna medan de grundläggande egenskaperna hos individuell elektron beror på deras orbitalrörelse.

"När du har dessa komplexa interaktioner plus spin-order-koppling, det blir en oerhört komplicerad situation att beskriva teoretiskt, " Sa Mitrović. "Ändå behöver vi en sådan grundläggande kvantteori för att kunna förutsäga nya kvantegenskaper hos komplexa material och utnyttja dem."

Mitrovićs studie fokuserade på en märklig typ av magnetism som uppstår när Mott-isolatorer med stark spin-orbit-koppling kyls under en kritisk temperatur. Magnetism uppstår som ett resultat av inriktningar mellan elektroner snurrar. Men i det här fallet, eftersom snurren interagerar starkt och deras värden beror på orbitalrörelse, det är inte förstått hur denna magnetism uppstår i dessa material.

Det fanns ett viktigt teoretiskt försök att visa vad som kan hända i dessa material på den mest grundläggande nivån för att åstadkomma detta magnetiska tillstånd. Och det var vad Mitrović och hennes kollegor ville testa.

Mitrovićs kollegor på Stanford började med att syntetisera och karakterisera termodynamiskt ett Mott-isoleringsmaterial av barium, natrium, osmium och syre, som Mitrović sonderade med kärnmagnetisk resonans. Den speciella teknik som teamet använde gjorde det möjligt för dem att samla information om fördelningen av elektronladdningar i materialet och information om elektronspinn samtidigt.

Arbetet visade att när materialet kyls, förändringar i fördelningen av elektronladdningar orsakar störningar i materialets atomorbitaler och gitter. När temperaturen svalnar ytterligare, den förvrängningen driver magnetismen genom att orsaka en inriktning av elektronspinn inom enskilda lager av atomgitteret.

"Vi kunde bestämma den exakta karaktären på de orbitalladdningsförvrängningar som föregår magnetismen, liksom den exakta centrifugeringen i detta exotiska magnetiska tillstånd. "sa Mitrović." I ett lager har du snurr inriktade i en riktning, och sedan i lagren ovanför och under det är snurrningarna inriktade i olika riktning. Det resulterar i svag magnetism överallt, trots den starka magnetismen i varje lager. "

Teorin som Mitrović undersökte förutspådde exakt denna skiktade magnetism som föregicks av laddningsförvrängningar. Som sådan, resultaten hjälper till att bekräfta att teorin är på rätt spår.

Arbetet är ett viktigt steg mot att förstå och manipulera egenskaperna hos denna intressanta klass av material för verkliga tillämpningar, Säger Mitrović. Särskilt, material med spin-order-koppling är lovande för utvecklingen av elektroniska enheter som förbrukar mindre ström än vanliga enheter.

"Om vi ​​vill börja använda dessa material i enheter, vi måste förstå hur de fungerar i grunden, "Sa Mitrović." På så sätt kan vi anpassa deras egenskaper för vad vi vill att de ska göra. Genom att validera en del av det teoretiska arbetet med Mott-isolatorer med stark spin-orbit-koppling, detta arbete är ett viktigt steg mot en bättre förståelse. "

I större mening, verket är ett steg mot en mer omfattande kvantteori om magnetism.

"Även om magnetism är det längsta kända kvantfenomenet, upptäcktes av de gamla grekerna, en grundläggande kvantteori om magnetism förblir svårfångad, "Mitrović sa." Vi utformade vårt arbete för att testa en ny teori som försöker förklara hur magnetism uppstår i exotiska material. "