美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学家们发现了一种被称为“反铁磁激子绝缘体”的物质的长期预测的磁性状态。

“广义上说，这是一种新型磁铁，”布鲁克海文实验室的物理学家马克·迪恩说，他是《自然通讯》上一篇关于这项工作的论文的资深作者。“由于磁性材料是我们周围许多技术的核心，新型磁铁从根本上来说非常吸引人，未来的应用前景也很有希望。”

新的磁性状态涉及到层状材料中电子之间的强磁性吸引，使电子想要排列它们的磁矩，或“自旋”，进入一个规则的上下“反铁磁”模式。20世纪60年代，物理学家们在探索金属、半导体和绝缘体的不同特性时，首次预测到这种反铁磁性可以由绝缘材料中古怪的电子耦合驱动。

“60年前，物理学家才刚刚开始考虑量子力学规则如何应用于材料的电子性质，”领导这项研究的前布鲁克海文实验室(Brookhaven Lab)物理学家丹尼尔·马佐尼(Daniel Mazzone)说，他目前在瑞士的保罗·谢勒研究所(Paul Scherrer institute)工作。“他们试图弄清楚，当绝缘体和导体之间的电子‘能隙’越来越小时会发生什么。你只是把一个简单的绝缘体变成一个简单的金属，让电子可以自由移动，还是会发生更有趣的事情？”

预测是，在特定条件下，你可以得到更有趣的东西：即，布鲁克海文团队刚刚发现的“反铁磁激子绝缘体”。

在反铁磁体中，相邻原子上的电子的磁极化轴(自旋)沿交替方向排列：上、下、上、下，等等。在整个材料的尺度上，这些交替的内部磁性方向相互抵消，导致材料作为一个整体没有净磁性。

这种反铁磁材料可以在不同的状态之间快速切换。它们还能抵抗外部磁场干扰造成的信息丢失。这些特性使反铁磁材料对现代通信技术具有吸引力。

激子这个术语是指激子，当某些条件允许电子四处移动并与另一个强相互作用形成束缚态时，激子就产生了。电子也可以通过“空穴”形成束缚态，即当电子跃迁到材料的不同位置或能级时所留下的空位。在电子-电子相互作用的情况下，这种结合是由磁性吸引力驱动的，这种磁力强大到足以克服两个带电粒子之间的排斥力。在电子-空穴相互作用的情况下，引力必须足够强，以克服材料的“能隙”，这是绝缘体的特征。

“绝缘体是金属的反义词；这是一种不导电的材料，”迪恩解释说。物质中的电子通常处于低能级或“基态”。

“电子都被卡在一个地方，就像人们在一个挤满了人的圆形剧场；他们不能四处走动，”他说。为了让电子移动，你必须给它们一个足够大的能量提升来克服基态和更高能级之间的特征间隙。在非常特殊的情况下，从磁电子-空穴相互作用中获得的能量可以克服电子跨越能隙所消耗的能量。

现在，由于先进的技术，物理学家可以探索这些特殊的情况，以了解反铁磁激子绝缘体状态是如何出现的。

一个合作团队使用了一种叫做锶铱氧化物(Sr3Ir2O7)的材料，这种材料在高温下仅能勉强绝缘。Mazzone与布鲁克海文实验室的Yao Shen和Jennifer Sears以及Argonne国家实验室的Gilberto Fabbris一起，在先进光子源(美国能源部科学办公室在Argonne国家实验室的一个用户设施)上使用x射线来测量磁性相互作用和移动电子的相关能量成本。来自田纳西大学的刘健和杨君毅以及阿贡大学的科学家玛丽·厄普顿和迭戈·卡萨也做出了重要贡献。

研究小组在高温下开始了他们的研究，并逐渐冷却了材料。随着冷却，能量差距逐渐缩小。在285K(约53华氏度)时，电子开始在材料的磁性层之间跳跃，但立即与它们留下的空穴形成结合对，同时触发相邻电子自旋的反铁磁排列。田纳西大学的Hidemaro Suwa和Christian Batista进行了计算，以预测的反铁磁激子绝缘子概念为基础开发了一个模型，并表明该模型全面解释了实验结果。

“使用x射线，我们观察到电子和空穴之间相互吸引所触发的结合实际上比电子跃过带隙时释放出更多的能量，”Shen解释说。“因为这个过程节省了能量，所有的电子都想这样做。然后，在所有的电子都完成了跃迁之后，就电子和自旋的整体排列而言，材料看起来与高温状态不同。新的构型包括电子自旋以反铁磁模式有序排列，而结合对创造了一个‘锁定’的绝缘状态。”

反铁磁激子绝缘子的识别完成了一个漫长的旅程，探索电子选择安排自己在材料中迷人的方式。在未来，了解这种材料中自旋和电荷之间的联系可能会有潜力实现新技术。

本文改编自布鲁克海文国家实验室的材料，由《今日材料》编辑修改。本文所表达的观点并不一定代表爱思唯尔的观点。链接到原始资料。

研究人员使用x射线来测量自旋(蓝色箭头)在受到干扰时的运动方式，并能够显示出它们在长度上的振荡模式，如图所示。之所以会出现这种特殊的行为，是因为每个部位的电荷量(如黄色圆盘所示)也可以变化，这是用来确定新行为的指纹。图片：布鲁克海文国家实验室。

研究人员使用x射线来测量自旋(蓝色箭头)在受到干扰时的运动方式，并能够显示出它们在长度上的振荡模式，如图所示。之所以会出现这种特殊的行为，是因为每个部位的电荷量(如黄色圆盘所示)也可以变化，这是用来确定新行为的指纹。图片：布鲁克海文国家实验室。