Onderzoekers van de Brown University hebben experimenteel aangetoond hoe een unieke vorm van magnetisme ontstaat in een vreemde klasse materialen die Mott-isolatoren worden genoemd. De bevindingen zijn een stap in de richting van een beter begrip van de kwantumtoestanden van deze materialen, die de afgelopen jaren veel belangstelling hebben gewekt bij wetenschappers.

De studie, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , helpt om nieuw theoretisch werk te bevestigen dat probeert uit te leggen hoe elektronen zich in deze vreemde materialen gedragen. Het werk is gedaan in samenwerking met wetenschappers van de Stanford University en het National High Magnetic Field Laboratory.

"We ontdekten dat de theorie goed standhoudt, " zei Vesna Mitrović, een universitair hoofddocent natuurkunde bij Brown die het werk leidde. "Het laat zien dat deze nieuwe theorie, gebaseerd op kwantummodellen met gecompliceerde elektron-spin-interacties, is een goed begin om magnetisme in sterk op elkaar inwerkende materialen te begrijpen."

Mott-isolatoren zijn materialen die geleiders zouden moeten zijn volgens traditionele theorieën over elektrische geleidbaarheid, maar fungeren niettemin als isolatoren. De isolerende toestand ontstaat doordat elektronen in deze materialen sterk gecorreleerd zijn en elkaar afstoten. Die dynamiek zorgt voor een soort elektronenverkeersopstopping, voorkomen dat de deeltjes stromen om een ​​stroom te vormen.

Wetenschappers hopen dat ze manieren kunnen vinden om deze materialen in en uit de Mott-isolerende staat te verplaatsen, die nuttig zou zijn bij het ontwikkelen van nieuwe soorten functionele apparaten. Het is ook aangetoond dat door onzuiverheden in hun structuur te introduceren, sommige Mott-isolatoren worden supergeleiders voor hoge temperaturen - materialen die elektriciteit kunnen geleiden zonder weerstand bij temperaturen die ver boven de temperatuur liggen die normaal vereist zijn voor supergeleiding.

Ondanks de belofte van deze materialen, wetenschappers begrijpen nog steeds niet helemaal hoe ze werken. Een volledige beschrijving van elektronentoestanden in deze materialen was ongrijpbaar. Op het meest fundamentele niveau, elk afzonderlijk elektron wordt gekenmerkt door zijn lading en spin, zijn kleine magnetische moment dat naar boven of naar beneden wijst. Het is moeilijk om de elektroneneigenschappen in Mott-isolatoren te voorspellen omdat de toestanden van elektronen zo nauw met elkaar gecorreleerd zijn - de toestand van één elektron beïnvloedt de toestanden van zijn buren.

Om de zaken nog ingewikkelder te maken, veel Mott-isolatoren vertonen wat bekend staat als spin-baankoppeling, wat betekent dat de spin van elk elektron verandert terwijl het om een ​​atoomkern draait. Spin-baankoppeling houdt in dat het magnetische moment van een elektron wordt beïnvloed door zijn baan om een ​​atoomkern, en daarom is de spin van een elektron niet goed gedefinieerd. Dus, het voorspellen van eigenschappen van deze materialen vereist kennis van interacties tussen de elektronen, terwijl de fundamentele eigenschappen van individuele elektronen afhangen van hun baanbeweging.

"Als je deze complexe interacties plus spin-order koppeling hebt, het wordt een ongelooflijk ingewikkelde situatie om theoretisch te beschrijven, "Zei Mitrović. "Toch hebben we zo'n fundamentele kwantumtheorie nodig om nieuwe kwantumeigenschappen van complexe materialen te kunnen voorspellen en te benutten."

Mitrović's onderzoek richtte zich op een vreemd soort magnetisme dat ontstaat wanneer Mott-isolatoren met een sterke spin-baankoppeling worden afgekoeld tot onder een kritische temperatuur. Magnetisme ontstaat als gevolg van uitlijningen tussen elektronenspins. Maar in dit geval, omdat de spins sterk op elkaar inwerken en hun waarden afhangen van de baanbeweging, het is niet duidelijk hoe dit magnetisme in deze materialen ontstaat.

Er was één belangrijke theoretische poging om aan te tonen wat er op het meest fundamentele niveau in deze materialen zou kunnen gebeuren om deze magnetische toestand teweeg te brengen. En dat wilden Mitrović en haar collega's testen.

Mitrović's collega's bij Stanford begonnen met het thermodynamisch synthetiseren en karakteriseren van een Mott-isolatiemateriaal gemaakt van barium, natrium, osmium en zuurstof, die Mitrović onderzocht met behulp van nucleaire magnetische resonantie. De specifieke techniek die het team gebruikte, stelde hen in staat om tegelijkertijd informatie te verzamelen over de verdeling van elektronenladingen in het materiaal en informatie over elektronenspin.

Het werk toonde aan dat als het materiaal wordt afgekoeld, veranderingen in de verdeling van elektronenladingen veroorzaken vervorming in de atomaire orbitalen en het rooster van het materiaal. Naarmate de temperatuur verder afkoelt, die vervorming drijft het magnetisme aan door een uitlijning van elektronenspins binnen individuele lagen van het atoomrooster te veroorzaken.

"We waren in staat om de exacte aard van de orbitale ladingsvervormingen te bepalen die voorafgaan aan het magnetisme, evenals de exacte spin-uitlijning in deze exotische magnetische staat.' Mitrović zei. 'In één laag heb je spins die in één richting zijn uitgelijnd, en dan in de lagen erboven en eronder worden de spins in de verschillende richtingen uitgelijnd. Dat resulteert in een zwak magnetisme over alles, ondanks het sterke magnetisme binnen elke laag."

De theorie die Mitrović onderzocht, voorspelde precies dit gelaagde magnetisme voorafgegaan door ladingsverstoringen. Als zodanig, de bevindingen helpen bevestigen dat de theorie op de goede weg is.

Het werk is een belangrijke stap in de richting van het begrijpen en manipuleren van de eigenschappen van deze interessante klasse materialen voor toepassingen in de echte wereld, zegt Mitrović. Vooral, materialen met spin-order koppeling zijn veelbelovend voor de ontwikkeling van elektronische apparaten die minder stroom verbruiken dan gewone apparaten.

"Als we deze materialen willen gaan gebruiken in apparaten, we moeten begrijpen hoe ze fundamenteel werken, "Zei Mitrović. "Op die manier kunnen we hun eigenschappen afstemmen op wat we willen dat ze doen. Door een deel van het theoretische werk aan Mott-isolatoren met sterke spin-baankoppeling te valideren, dit werk is een belangrijke stap naar een beter begrip."

In grotere zin, het werk is een stap in de richting van een meer uitgebreide kwantumtheorie van magnetisme.

"Hoewel magnetisme het langst bekende kwantumfenomeen is, ontdekt door de oude Grieken, een fundamentele kwantumtheorie van magnetisme blijft ongrijpbaar, " Zei Mitrović. "We hebben ons werk ontworpen om een ​​nieuwe theorie te testen die probeert uit te leggen hoe magnetisme ontstaat in exotische materialen."