研究人员提出了物质奇异磁相的证据

　　艺术家对团队如何识别这一历史性阶段的印象。研究人员用X射线来测量自旋（蓝色箭头）在受到干扰时是如何移动的，并且能够证明它们在上面所示的模式中以长度振荡。这种特殊行为的发生是因为每个站点（显示为黄色磁盘）的电荷量也会发生变化，这是用来确定新行为的指纹。作者：布鲁克海文国家实验室
　　美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学家发现了一种长期预测的物质磁状态，称为＂反铁磁激子绝缘体＂
　　布鲁克海文实验室物理学家马克·迪恩（Mark Dean）说：＂从广义上讲，这是一种新颖的磁铁类型，＂他在年发表的一篇论文中描述了这项研究 自然通讯 ＂因为磁性材料作为我们周围许多技术的核心，新型磁铁从根本上说是令人着迷的，而且在未来的应用前景广阔。＂
　　新的磁状态包含了电子在一种层状材料中，电子想要排列它们的磁矩，或者说＂自旋＂，形成一个规则的上下＂反铁磁＂图案。当物理学家探索金属、半导体和绝缘体的不同性质时，这种反铁磁性可以由绝缘材料中奇特的电子耦合驱动的想法首次被预言。
　　＂60年前，物理学家刚刚开始考虑如何将量子力学的规则应用于材料的电子性质，＂领导这项研究的前布鲁克黑文实验室物理学家丹尼尔·马佐内（Daniel Mazzone）说，他现在在瑞士的保罗·舍勒研究所工作。简单的绝缘体，你能做些什么，让一个简单的绝缘体，变成一个更小的，更有趣的导体，在那里，它们能做什么呢
　　预测是，在一定条件下，你可以得到更有趣的东西：即布鲁克海文小组刚刚发现的＂反铁磁激子绝缘体＂。
　　为什么这种材料如此奇特有趣？为了理解，让我们深入研究这些术语，并探索这种新的物质状态是如何形成的。
　　在反铁磁体中，相邻原子上的电子的磁极化轴（自旋）以交替的方向排列：上、下、上、下等等。在整个材料的尺度上，这些交替的内部磁取向相互抵消，导致整个材料没有净磁性。这种材料可以在不同的状态之间快速切换。它们还能抵抗由于外部磁场干扰而丢失的信息。这些特性使得反铁磁材料在现代通信技术中具有吸引力。
　　接下来，我们有激子。激子是在一定条件下允许电子四处移动并相互强烈作用形成束缚态时产生的。电子也可以与＂空穴＂形成束缚态，空穴是指当电子跃迁到不同的位置或能级在一种材料中。在电子-电子相互作用的情况下，这种结合是由磁吸引力驱动的，这种吸引力足以克服两个类似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，以克服绝缘体的＂能隙＂。
　　＂绝缘体与金属相反，它是一种不导电的材料，＂迪恩说。物质中的电子通常保持在低能量状态，即＂基态＂。他说：＂电子都被卡在原地，就像人在一个满是水的圆形剧场里；他们不能四处走动。＂。为了让电子运动，你必须给它们增加足够大的能量，以克服基态和更高能级之间的一个特殊间隙。
　　在非常特殊的情况下，磁-电子-空穴相互作用所获得的能量可以超过电子跃过能隙的能量成本。
　　现在，由于先进的技术，物理学家可以探索这些特殊的环境来了解反铁磁激子-绝缘体态是如何产生的。
　　一个合作小组研究了一种叫做锶铱氧化物（Sr）的材料三红外2O7)在高温下几乎不能绝缘。Daniel Mazzone、Yao Shen（布鲁克海文实验室）、Gilberto Fabbris（阿贡国家实验室）和Jennifer Sears（布鲁克海文实验室）在高级光子源（美国能源部阿贡国家实验室科学用户设施办公室）使用X射线测量移动电子的磁相互作用和相关能量成本。田纳西大学的刘健和杨俊义以及阿贡的科学家玛丽·厄普顿和迭戈·卡萨也做出了重要贡献。
　　随着温度的升高，调查组开始逐渐冷却材料。在冷却的情况下能量差逐渐缩小。在285开尔文（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束缚对，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利用预测的反铁磁激子绝缘体的概念进行了计算，结果表明该模型能全面地解释实验结果。
　　姚深解释说：＂利用X射线，我们观察到电子和空穴之间的吸引力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。＂。＂因为能量所有的电子都想这样做。然后，在所有的电子都完成了转变之后，从电子和自旋的整体排列来看，材料看起来与高温状态不同。新的结构涉及到电子自旋以反铁磁模式排列，而束缚对则产生＂锁定＂绝缘状态。＂
　　识别反铁磁激子绝缘体完成了一个漫长的旅程，探索了电子选择在材料中排列自己的迷人方式。在未来，了解这种材料中自旋和电荷之间的联系可能有助于实现新技术。