美國能源部布魯克海文國家實驗室的科學家們發現了一種長期預測的物質磁性狀態，稱為“反鐵磁激子絕緣體”。

“從廣義上講，這是一種新型磁鐵，”布魯克海文實驗室的物理學家馬克·迪恩說，他是一篇描述剛剛發表在《自然通訊》上的研究的論文的資深作者。“由于磁性材料是我們周圍許多技術的核心，新型磁體從根本上來說既令人著迷，又在未來的應用中充滿希望。”

新的磁性狀態涉及分層材料中電子之間的強磁吸引力，這使得電子想要將它們的磁矩或“旋轉”排列成規則的上下“反鐵磁”模式。這種反鐵磁性可以由絕緣材料中古怪的電子耦合驅動的想法在 1960 年代首次被預測，當時物理學家探索了金屬、半導體和絕緣體的不同特性。

“六十年前，物理學家才剛剛開始考慮量子力學規則如何應用于材料的電子特性，”領導這項研究的前布魯克海文實驗室物理學家 Daniel Mazzone 說，他現在在瑞士的保羅謝勒研究所工作。“他們試圖弄清楚當你使絕緣體和導體之間的電子‘能隙’越來越小時會發生什么。你只是把一個簡單的絕緣體變成一個電子可以自由移動的簡單金屬，還是會有更有趣的事情發生?"

預測是，在某些條件下，你可以得到更有趣的東西：即布魯克海文團隊剛剛發現的“反鐵磁激子絕緣體”。

為什么這種材料如此奇特和有趣?為了理解，讓我們深入研究這些術語并探索這種新的物質狀態是如何形成的。

在反鐵磁體中，相鄰原子上的電子的磁極化(自旋)軸沿交替方向排列：向上、向下、向上、向下等。在整個材料的尺度上，那些交替的內部磁性方向相互抵消，導致整個材料沒有凈磁性。這種材料可以在不同狀態之間快速切換。它們還可以抵抗由于外部磁場干擾而丟失的信息。這些特性使反鐵磁材料對現代通信技術具有吸引力。

接下來，我們有激子。當某些條件允許電子四處移動并相互強烈相互作用以形成束縛態時，激子就會出現。電子還可以與“空穴”形成束縛態，空穴是當電子躍遷到材料中的不同位置或能級時留下的空位。在電子-電子相互作用的情況下，結合是由強大到足以克服兩個帶電粒子之間的排斥力的磁吸引力驅動的。在電子-空穴相互作用的情況下，吸引力必須足夠強以克服材料的“能隙”，這是絕緣體的特性。

“絕緣體與金屬相反;它是一種不導電的材料，”迪恩說。材料中的電子通常處于低能態或“基態”能態。“電子都被卡在原地，就像人們在一個裝滿人的圓形劇場里一樣;它們不能移動。”他說。為了讓電子移動，你必須給它們一個足夠大的能量提升，以克服基態和更高能級之間的特征差距。

在非常特殊的情況下，來自磁性電子-空穴相互作用的能量增益可能超過電子跨越能隙的能量成本。

現在，借助先進的技術，物理學家可以探索這些特殊情況，以了解反鐵磁激子絕緣體狀態是如何出現的。

一個合作團隊使用了一種叫做鍶銥氧化物 (Sr 3 Ir 2 O 7 ) 的材料，這種材料在高溫下幾乎沒有絕緣性。Daniel Mazzone、Yao Shen(布魯克海文實驗室)、Gilberto Fabbris(阿貢國家實驗室)和 Jennifer Sears(布魯克海文實驗室)使用先進光子源(位于阿貢國家實驗室的美國能源部科學辦公室用戶設施)的 X 射線來測量移動電子的磁相互作用和相關的能量成本。田納西大學的劉健和楊俊一以及阿貢的科學家瑪麗厄普頓和迭戈卡薩也做出了重要貢獻。

該團隊在高溫下開始研究并逐漸冷卻材料。隨著冷卻，能隙逐漸縮小。在 285 開爾文(約 53 華氏度)，電子開始在材料的磁性層之間跳躍，但立即與它們留下的空穴形成束縛對，同時觸發相鄰電子自旋的反鐵磁排列。田納西大學的 Hidemaro Suwa 和 Christian Batista 進行了計算，利用預測的反鐵磁激子絕緣體的概念開發了一個模型，并表明該模型全面解釋了實驗結果。

“使用 X 射線，我們觀察到由電子和空穴之間的吸引力引發的結合實際上比電子跳過帶隙時返回的能量更多，”沈堯解釋說。“因為這個過程節省了能量，所以所有的電子都想這樣做。然后，當所有的電子都完成了躍遷之后，從電子和自旋的整體排列來看，材料看起來與高溫狀態有所不同。新的配置涉及電子自旋以反鐵磁模式排列，而束縛對則產生“鎖定”絕緣狀態。”

反鐵磁激子絕緣體的鑒定完成了探索電子選擇在材料中排列自身的迷人方式的漫長旅程。將來，了解此類材料中自旋和電荷之間的聯系可能有可能實現新技術。