研究人员在材料的量子物理学中发现了新的“意外”现象

美东北大学的研究人员在一类特定的材料中发现了一种新的量子现象，称为反铁磁绝缘体，它可以产生为“自旋电子”和未来其他技术设备提供动力的新方法。

这一发现阐明了“热量如何在磁绝缘体中流动，[以及][研究人员]如何检测该热流，”东北大学物理学教授，该研究的合著者Gregory Fiete说。本周发表在《自然物理学》杂志上并在实验中证明的新效应是通过结合镧铁氧体（LaFeO）观察到的。3）带有一层铂或钨。

“这种分层耦合是造成这种现象的原因，”东北大学物理系的大学杰出教授Arun Bansil说，他也参与了这项研究。

Bansil说，这一发现可能有许多潜在的应用，例如改进热传感器，废热回收和其他热电技术。这种现象甚至可能导致为这些和其他新兴技术开发新的动力源。东北大学研究生Matt Matzelle和拉彭兰塔理工大学的计算和理论物理学家Bernardo Barbiellini参与了这项研究，他目前正在访问东北大学。

说明团队的发现需要相当大的放大倍率（字面上）来观察原子级粒子的世界 - 特别是在电子的纳米寿命下。它还需要了解电子的几种性质 - 它们具有称为“自旋”的东西，具有电荷，并且在穿过材料时可以产生热流。

电子自旋或角动量描述了电子的基本性质，定义为两种电位状态之一：向上或向下。这些电子的“向上或向下”自旋（也被认为是南北极）在空间中定向有许多不同的方式，这反过来又产生了不同类型的磁性。Bansil说，这完全取决于原子在给定材料中的图案化方式。

在磁性系统中，通常该材料中的自旋沿同一方向对齐。磁性（或“铁磁性”）晶体中的电子排列是产生吸引或排斥其他晶体的力的原因。许多磁性材料在电子能够通过它们时也会导电。这些材料被称为导体，因为它们能够导电。

除了产生电流外，电子通过材料的运动还携带热电流。当外部电磁场施加到导电的材料上时，会产生热电流。

“热量只是当这些电子以更快或更慢的速度晃动时，因此，因此，它们可以携带或多或少的热能，”Bansil说。

Bansil说，通常自旋电流流向热流的相同方向。但是，在这项研究中使用的特定材料中，“它垂直于热流方向流动。

“这就是这里的新东西，”Bansil说。

正是这种“意想不到的”互动为思考发电的新方式打开了大门。

“我们想做的是产生一种产生电能的磁性电流，而你这样做的方式就是产生电压，”Fiete说。

为此，研究人员将反铁磁性绝缘材料（此处为LaFeO3）与另一种较重的元素（如铂或钨）相结合，它们是导体。耦合使电子略微偏离。

“这种特殊材料的自旋在最近的相邻原子上几乎完全反定向，”Fiete说，“这意味着它们有点倾斜。他们并不完全反导向 - 他们大多是，但有一点点扭曲。这个小小的偏移实际上非常重要，因为它是我们在项目中看到的有趣效果的一部分。

这就是这一类特殊材料得名的原因：斜反铁磁体。

一类新兴的电子设备，即所谓的“自旋电子学”，依赖于电子自旋的操纵，目的是提高未来技术中的信息处理能力。另一个相关领域，称为自旋热电子学，专注于“如何将热流转化为磁流，或自旋流，并最终转化为电压，”Fiete说。

“材料的量子物理学特别令人感兴趣，因为它直接与许多技术联系在一起：量子计算，量子传感和量子通信技术，”Fiete说。“真正获得牵引力的想法......现在是：我们如何将大学的研究，就像我的团队所参与的那种一样，转变为将影响我们生活方式的技术？”