Magnetické topologické izolátory jsou exotickou třídou materiálů, které vedou
Nejúžasnější věc na novém kvantovém materiálu jejeho feromagnetické vlastnosti se projeví pouze tehdy, když některé atomy změní místo, čímž dojde k nepořádku. Podrobnosti o vývoji byly zveřejněny v časopise Advanced Science.
Prekurzorový materiál
Topologický izolátor s feromagnetickýmvlastnosti byly vytvořeny na základě jiného materiálu. V roce 2019 se mezinárodní výzkumná skupina vedená materiálovou chemičkou Annou Isaevovou, tehdy mladší profesorkou na ct.qmat (Complexity and Topology in Quantum Matter), prosadila tím, že vyrobila první antiferomagnetický topologický izolátor na světě – telurid manganu – bismut (MnBi₂Te₄) .
Tento materiál má svůj vlastní vnitřní prostormagnetické pole, které připravuje cestu pro nové typy elektronických součástek. Budou moci ukládat informace pomocí magnetů a přenášet je po povrchu bez jakéhokoli odporu. To způsobí revoluci v počítačích, díky nimž budou udržitelnější a energeticky účinnější. Od chvíle, kdy fyzici objevili MnBi₂Te₄, výzkumníci po celém světě aktivně studují různé aspekty tohoto slibného kvantového materiálu ve snaze odemknout jeho plný potenciál.
Hlavní rozdíl mezi novým kvantovým materiálem
Ve feromagnetickém materiálu MnBi₆Te₁0Jednotlivé atomy manganu jsou uspořádány paralelně, což znamená, že všechny jejich magnetické momenty směřují stejným směrem. Naproti tomu u jeho antiferomagnetického předchůdce, MnBi2Te4, jsou tímto způsobem vyrovnány pouze magnetické momenty v jedné vrstvě materiálu.
Situaci změnila malá změna chemikáliekrystalové složení. V důsledku toho se topologický izolátor MnBi₆Te₁0 vyznačuje silnějším a spolehlivějším magnetickým polem než jeho antiferomagnetický předchůdce.
Abstrakce. Foto: drátěný materiál
„Podařilo se nám vyrobit kvantový materiálMnBi₆Te₁0 takovým způsobem, že se stává feromagnetickým při teplotě 12 Kelvinů. Přestože je tato teplota -261 °C pro počítačové komponenty stále příliš nízká, je to první krok,“ vysvětluje profesor Vladimir Khinkov z Würzburgu. Právě jeho skupina zjistila, že povrch materiálu má feromagnetické vlastnosti, které mu umožňují vést proud bez jakýchkoli ztrát. Je pozoruhodné, že v té době jeho vnitřní část tuto vlastnost nevykazuje.
Nejen výzkumná skupina ct.qmat se pokusil v laboratoři vytvořit feromagnetický topologický izolátor. „Po úspěchu MnBi₂Te₄ začali výzkumníci z celého světa hledat nové kandidáty na roli magnetických topologických izolátorů. V roce 2019 čtyři různé skupiny syntetizovaly MnBi₆Te₁₀, ale pouze v naší laboratoři tento neobvyklý materiál vykazoval feromagnetické vlastnosti,“ vysvětluje Isaeva, nyní profesorka experimentální fyziky na univerzitě v Amsterdamu.
Porucha ve struktuře atomu
Když materiáloví chemici z DrážďanIsaevovo vedení přišlo na to, jak vyrobit krystalický materiál, učinili úžasný objev. Ukázalo se, že některé atomy bylo potřeba přesunout z jejich původní atomové vrstvy. Jinými slovy, potřebovali změnit přirozené umístění v krystalu.
Abstrakce. Foto: drátěný materiál
„Distribuce atomů manganu ve všech vrstváchKrystal způsobí, že okolní atomy změní svůj magnetický moment ve stejném směru. Magnetický řád se stává nakažlivým,“ vysvětluje Isaeva. „Atomová porucha, kterou pozorujeme v krystalu, je obecně považována v chemii a fyzice za destruktivní. Uspořádané atomové struktury se dají snadněji vypočítat a lépe pochopit, ale ne vždy dávají požadovaný výsledek,“ dodává Khinkov. „Právě tato porucha je kritickým mechanismem, díky kterému se MnBi6Te10 stává feromagnetickým,“ zdůrazňuje Isaeva.
Kdo provedl výzkum?
Vědci ct.Na průlomovém výzkumu spolupracoval qmat ze dvou univerzit TU Dresden a JMU Würzburg a také z Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) v Drážďanech. Krystaly byly připraveny materiálovými chemiky pod vedením Isaeva (TU Dresden). Hromadný feromagnetismus vzorků byl následně objeven na IFW, kde Dr. Jorge I. Fazio vyvinul komplexní teorii vysvětlující jak neuspořádaný feromagnetismus MnBi6Te10, tak jeho antiferomagnetické protějšky. Hinkovův tým z JMU Würzburg provedl měření vitálních povrchů.
Co bude dál?
Výzkumníci v současné době pracují nadosažení feromagnetismu při výrazně vyšších teplotách. Již dosáhly počátečního pokroku a dosáhly asi 70 Kelvinů (-203,15 °C). Vědci také stojí před úkolem zvýšit ultranízké teploty, při kterých se objevují exotické kvantové efekty, protože bezztrátové vedení proudu začíná až při teplotách od 1 do 2 Kelvinů (od -272,15 °C do -271,15 °C).
Přečtěte si více:
Biologové zjišťují, jak rakovinné buňky unikají imunitnímu systému
Klíčová teorie kvantové fyziky byla konečně prokázána. Hlavní
Jmenované produkty, které chrání mozek před demencí, a kdy je používat
Na obálce: ilustrace, fotografie starline42k