Magnetiske topologiske isolatorer er en eksotisk klasse af materialer, der leder
Det mest fantastiske ved det nye kvantemateriale erdets ferromagnetiske egenskaber vises kun, når nogle af atomerne skifter plads, hvilket introducerer uorden. Detaljer om udviklingen blev offentliggjort i tidsskriftet Advanced Science.
Forløbsmateriale
Topologisk isolator med ferromagnetiskegenskaber blev skabt på basis af et andet materiale. I 2019 lavede en international forskergruppe ledet af materialekemiker Anna Isaeva, dengang juniorprofessor ved ct.qmat (Complexity and Topology in Quantum Matter), et sprøjt ved at producere verdens første antiferromagnetiske topologiske isolator – telluride mangan-vismut (MnBi₂Te4).
Dette materiale har sit eget indremagnetfelt, hvilket baner vejen for nye typer elektroniske komponenter. De vil være i stand til at lagre information ved hjælp af magneter og transmittere den over en overflade uden modstand. Dette vil revolutionere computere og gøre dem mere bæredygtige og energieffektive. Siden fysikere opdagede MnBi₂Te₄, har forskere over hele verden aktivt studeret forskellige aspekter af dette lovende kvantemateriale i et forsøg på at frigøre dets fulde potentiale.
Den største forskel mellem det nye kvantemateriale
I ferromagnetisk materiale MnBi₆Te₁₀De individuelle manganatomer er justeret parallelt, hvilket betyder, at alle deres magnetiske momenter peger i samme retning. I modsætning hertil er det i sin antiferromagnetiske forgænger, MnBi₂Te4, kun de magnetiske momenter i et enkelt materialelag, der er justeret på denne måde.
Situationen blev ændret af en lille ændring i kemikalietkrystal sammensætning. Som et resultat er den topologiske isolator MnBi₆Te₁₀ kendetegnet ved et stærkere og mere pålideligt magnetfelt end dens antiferromagnetiske forgænger.
Abstraktion. Foto: wirestock
”Vi formåede at producere kvantematerialeMnBi₆Te₁₀ på en sådan måde, at den bliver ferromagnetisk ved en temperatur på 12 Kelvin. Selvom denne temperatur på -261 °C stadig er for lav til computerkomponenter, er det et første skridt,” forklarer professor Vladimir Khinkov fra Würzburg. Det var hans gruppe, der opdagede, at materialets overflade har ferromagnetiske egenskaber, som gør det muligt at lede strøm uden tab. Det er bemærkelsesværdigt, at dens indre del på det tidspunkt ikke besidder denne egenskab.
Ikke kun forskningsgruppen ct.qmat forsøgte at skabe en ferromagnetisk topologisk isolator i laboratoriet. "Efter succesen med MnBi₂Te₄ begyndte forskere over hele verden at søge efter nye kandidater til rollen som magnetiske topologiske isolatorer. I 2019 syntetiserede fire forskellige grupper MnBi₆Te₁₀, men det var kun i vores laboratorium, at dette usædvanlige materiale udviste ferromagnetiske egenskaber,” forklarer Isaeva, nu professor i eksperimentel fysik ved Universitetet i Amsterdam.
Uorden i atomstrukturen
Når materialer kemikere fra DresdenIsaevas ledelse fandt ud af, hvordan man producerer krystallinsk materiale, de gjorde en fantastisk opdagelse. Det viste sig, at nogle atomer skulle flyttes fra deres oprindelige atomlag. Med andre ord var de nødt til at ændre den naturlige placering i krystallen.
Abstraktion. Foto: wirestock
"Fordeling af manganatomer på tværs af alle lagKrystallen får de omgivende atomer til at ændre deres magnetiske moment i samme retning. Magnetisk orden bliver smitsom,” forklarer Isaeva. "Den atomare forstyrrelse, som vi observerer i en krystal, betragtes generelt som destruktiv i kemi og fysik. Ordnede atomstrukturer er nemmere at beregne og bedre at forstå, men de giver ikke altid det ønskede resultat,” tilføjer Khinkov. "Det er denne lidelse, der er den kritiske mekanisme, på grund af hvilken MnBi6Te10 bliver ferromagnetisk," understreger Isaeva.
Hvem foretog forskningen?
Forskere ct.qmat fra de to universiteter TU Dresden og JMU Würzburg, samt fra Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) i Dresden arbejdede sammen om den banebrydende forskning. Krystallerne blev fremstillet af materialekemikere ledet af Isaeva (TU Dresden). Størstedelen af ferromagnetismen i prøverne blev efterfølgende opdaget på IFW, hvor Dr. Jorge I. Fazio udviklede en omfattende teori til at forklare både den uordnede ferromagnetisme af MnBi6Te10 og dets antiferromagnetiske modstykker. Hinkovs team fra JMU Würzburg udførte målinger af vitale overflader.
Hvad er næste?
Forskere arbejder i øjeblikket påopnå ferromagnetisme ved væsentligt højere temperaturer. De har allerede gjort indledende fremskridt og nåede omkring 70 Kelvin (-203,15 °C). Forskere står også over for opgaven med at øge ultralave temperaturer, hvor eksotiske kvanteeffekter opstår, da tabsfri strømledning kun begynder ved temperaturer fra 1 til 2 Kelvin (fra -272,15 °C til -271,15 °C).
Læs mere:
Biologer opdager, hvordan kræftceller undslipper immunsystemet
Nøgleteorien om kvantefysik er endelig blevet bevist. Hoved
Navngivne produkter, der beskytter hjernen mod demens, og hvornår de skal bruges
På omslaget: illustration, foto starline42k