वैज्ञानिकों ने पदार्थ की एक अजीब चुंबकीय अवस्था की खोज की है

वैज्ञानिकों ने लगभग 60 वर्षों से एक लंबे समय से वांछित चुंबकीय अवस्था की पहचान की है।

अमेरिकी ऊर्जा विभाग के ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी के वैज्ञानिकों ने “एंटीमैग्नेटिक एक्साइटोनिक इंसुलेटर” नामक सामग्री की एक लंबे समय से प्रतीक्षित चुंबकीय अवस्था की खोज की है।

ब्रुकहेवन लैब के भौतिक विज्ञानी मार्क डीन और हाल ही में प्रकाशित शोध का वर्णन करने वाले एक पेपर के वरिष्ठ लेखक प्रकृति संचार. “हमारे आस-पास इतनी सारी तकनीकों के मूल में चुंबकीय सामग्री के साथ, नए प्रकार के चुंबक भविष्य के अनुप्रयोगों के लिए मौलिक रूप से आकर्षक और आशाजनक हैं।”

नए चुंबकीय राज्य में एक स्तरित सामग्री में इलेक्ट्रॉनों के बीच एक मजबूत चुंबकीय आकर्षण शामिल होता है जो इलेक्ट्रॉनों को अपने चुंबकीय क्षणों, या “स्पिन” को ऊपर से नीचे तक नियमित “एंटीमैग्नेटिक” पैटर्न में व्यवस्थित करना चाहता है। इस तरह के एंटीफेरोमैग्नेटिज्म के विचार की भविष्यवाणी पहली बार 1960 के दशक में एक इन्सुलेटर में मुड़ इलेक्ट्रॉन युग्मन द्वारा की गई थी जब भौतिकविदों ने धातुओं, अर्धचालकों और इन्सुलेटरों के विभिन्न गुणों की खोज की थी।

टीम ने सामग्री के इस ऐतिहासिक चरण की पहचान कैसे की, इस बारे में एक कलाकार की छाप। शोधकर्ताओं ने एक्स-रे का उपयोग यह मापने के लिए किया कि स्पिन्यूल्स (नीले तीर) कैसे हिलते हैं जब वे अशांत होते हैं और यह दिखाने में सक्षम होते हैं कि वे ऊपर दिखाए गए पैटर्न में लंबाई में दोलन करते हैं। यह विशेष व्यवहार इसलिए होता है क्योंकि प्रत्येक स्थान (पीली डिस्क के रूप में दिखाया गया) पर विद्युत आवेश की मात्रा भी भिन्न हो सकती है और यह नए व्यवहार को निर्धारित करने के लिए उपयोग किया जाने वाला फिंगरप्रिंट है। क्रेडिट: ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी

“साठ साल पहले, भौतिकविदों ने सामग्री के इलेक्ट्रॉनिक गुणों के लिए क्वांटम यांत्रिकी के नियमों को लागू करने के तरीके को देखना शुरू कर दिया था,” ब्रुकहेवन प्रयोगशाला के पूर्व भौतिक विज्ञानी डैनियल माज़ोन ने कहा, जिन्होंने अध्ययन का नेतृत्व किया और अब पॉल शेरर इंस्टीट्यूट में हैं। स्विट्ज़रलैंड। “वे यह पता लगाने की कोशिश कर रहे थे कि क्या होता है जब आप एक इन्सुलेटर और कंडक्टर के बीच इलेक्ट्रॉनिक ‘ऊर्जा अंतर’ को छोटा और छोटा बनाते हैं। क्या आप एक साधारण इन्सुलेटर को एक साधारण धातु में बदलते हैं जहां इलेक्ट्रॉन स्वतंत्र रूप से आगे बढ़ सकते हैं, या कुछ और दिलचस्प होता है ?”

उम्मीद यह थी कि, कुछ शर्तों के तहत, आप कुछ और दिलचस्प प्राप्त कर सकते हैं: “एंटीफेरोमैग्नेटिक उत्तेजना” जिसे ब्रुकहेवन की टीम द्वारा अभी खोजा गया था।

यह लेख इतना अजीब और दिलचस्प क्यों है? इसे समझने के लिए, आइए इन शब्दों में गोता लगाएँ और पता लगाएं कि पदार्थ की यह नई अवस्था कैसे बनती है।

एक एंटीफेरोमैग्नेट में, पड़ोसी परमाणुओं पर इलेक्ट्रॉनों में वैकल्पिक दिशाओं में चुंबकीय ध्रुवीकरण (स्पिन) की कुल्हाड़ियाँ होती हैं: ऊपर, नीचे, ऊपर, नीचे, और इसी तरह। पूरी सामग्री के पैमाने पर, ये वैकल्पिक आंतरिक चुंबकीय दिशाएं एक दूसरे को रद्द कर देती हैं, जिसके परिणामस्वरूप कुल सामग्री का कोई शुद्ध चुंबकत्व नहीं होता है। इन सामग्रियों को विभिन्न राज्यों के बीच जल्दी से स्वैप किया जा सकता है। यह बाहरी चुंबकीय क्षेत्रों से हस्तक्षेप के कारण सूचना हानि का भी प्रतिरोध करता है। ये गुण एंटीमैग्नेटिक सामग्री को आधुनिक संचार प्रौद्योगिकियों के लिए आकर्षक बनाते हैं।

अनुसंधान दल के सदस्यों में शामिल हैं: डैनियल मैज़ोनी (पूर्व में ब्रुकहेवन लैब, अब स्विट्जरलैंड में पॉल शेरर इंस्टीट्यूट में), याओ शेन (ब्रुकहेवन लैब), गिल्बर्टो फैब्रिस (आर्गोन नेशनल लेबोरेटरी), हिदेमारो सुवा (टोक्यो विश्वविद्यालय और टेनेसी विश्वविद्यालय), हो मिउ (ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी-ओआरएनएल), जेनिफर सियर्स * (ब्रुकहैवन लैब), जियान लियू (यू-टीएन), क्रिश्चियन बतिस्ता (यू-टीएन और ओआरएनएल), और मार्क डीन (ब्रुकहैवन लैब)। श्रेय: *DESY, मार्टा मेयर . सहित विभिन्न स्रोत

आगे हमारे पास एक्साइटोनिक है। उत्तेजना तब उत्पन्न होती है जब कुछ स्थितियां इलेक्ट्रॉनों को चारों ओर घूमने की अनुमति देती हैं और बाध्य अवस्थाओं को बनाने के लिए एक दूसरे के साथ सख्ती से बातचीत करती हैं। इलेक्ट्रॉन “छेद” से जुड़े राज्य भी बना सकते हैं, जो रिक्तियां छोड़ी जाती हैं जब इलेक्ट्रॉन किसी सामग्री में एक अलग स्थिति या ऊर्जा स्तर पर कूदते हैं। इलेक्ट्रॉन-इलेक्ट्रॉन परस्पर क्रिया के मामले में, बंधन चुंबकीय आकर्षण द्वारा संचालित होता है जो दो समान कणों के बीच प्रतिकारक बल को दूर करने के लिए पर्याप्त होता है। इलेक्ट्रॉन-छेद अंतःक्रियाओं के मामले में, सामग्री में “ऊर्जा अंतर” को दूर करने के लिए आकर्षण काफी मजबूत होना चाहिए, एक इन्सुलेटर की विशेषता।

“एक इन्सुलेटर एक धातु के विपरीत है; यह एक ऐसी सामग्री है जो बिजली का संचालन नहीं करती है,” डीन ने कहा। “सामग्री में इलेक्ट्रॉन आम तौर पर कम ऊर्जा, या” जमीन “स्थिति में रहते हैं। “सभी इलेक्ट्रॉनों को क्रैम किया जाता है एक पूर्ण एम्फीथिएटर में लोगों की तरह जगह में; उसने कहा। इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करने के लिए, आपको उन्हें जमीनी अवस्था और उच्च ऊर्जा स्तर के बीच की विशेषता के अंतर को दूर करने के लिए पर्याप्त रूप से ऊर्जा को बढ़ावा देना होगा।

बहुत ही विशेष परिस्थितियों में, चुंबकीय इलेक्ट्रॉन-छेद इंटरैक्शन से ऊर्जा लाभ ऊर्जा छेद के माध्यम से कूदने वाले इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा लागत से अधिक हो सकता है।

अब, उन्नत प्रौद्योगिकियों के लिए धन्यवाद, भौतिक विज्ञानी उन विशेष परिस्थितियों का पता लगा सकते हैं कि यह देखने के लिए कि एंटीफेरोमैग्नेटिक एक्सिटोनिक इंसुलेटर की स्थिति कैसे दिखाई दे सकती है।

एक सहयोगी टीम ने स्ट्रोंटियम इरिडियम ऑक्साइड (सीनियर) नामक सामग्री का उपयोग करके काम किया।₃अवरक्त₂ए₇), जो उच्च तापमान पर शायद ही एक इन्सुलेटर है। डैनियल माज़ोन, याओ शेन (ब्रुकहेवन प्रयोगशाला), गिल्बर्टो फैब्रिस (आर्गोन नेशनल लेबोरेटरी), और जेनिफर सीयर्स (ब्रुकहैवन लेबोरेटरी) ने उन्नत फोटॉन स्रोत पर एक्स-रे का इस्तेमाल किया- यह आर्गन नेशनल लेबोरेटरी में ऊर्जा विभाग के विज्ञान विभाग की एक उपयोगकर्ता सुविधा है। – गतिशील इलेक्ट्रॉनों से जुड़े चुंबकीय अंतःक्रियाओं और ऊर्जा लागतों को मापने के लिए। टेनेसी विश्वविद्यालय के जियान लियू और जॉनी यांग और आर्गन के वैज्ञानिक मैरी अप्टन और डिएगो कासा ने भी महत्वपूर्ण योगदान दिया।

टीम ने उच्च तापमान पर अपनी जांच शुरू की और धीरे-धीरे सामग्री को ठंडा किया। शीतलन के साथ, बिजली की खाई धीरे-धीरे कम हो गई। 285 K (लगभग 53 डिग्री .) पर[{” 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