Magnetische topologische Isolatoren sind eine exotische Klasse leitender Materialien
Das Erstaunlichste an dem neuen Quantenmaterial istSeine ferromagnetischen Eigenschaften treten nur dann zum Vorschein, wenn einige der Atome ihre Plätze wechseln, was zu Unordnung führt. Details zur Entwicklung wurden in der Fachzeitschrift Advanced Science veröffentlicht.
Vorläufermaterial
Topologischer Isolator mit ferromagnetischerEigenschaften wurden auf Basis eines anderen Materials geschaffen. Im Jahr 2019 sorgte eine internationale Forschungsgruppe unter der Leitung der Materialchemikerin Anna Isaeva, damals Juniorprofessorin am ct.qmat (Complexity and Topology in Quantum Matter), für Furore, indem sie den weltweit ersten antiferromagnetischen topologischen Isolator herstellte – Mangantellurid-Wismut (MnBi₂Te₄). .
Dieses Material hat sein eigenes InneresMagnetfeld und ebnet den Weg für neuartige elektronische Komponenten. Sie werden in der Lage sein, Informationen mithilfe von Magneten zu speichern und diese widerstandslos über eine Oberfläche zu übertragen. Dies wird Computer revolutionieren und sie nachhaltiger und energieeffizienter machen. Seit Physiker MnBi₂Te₄ entdeckt haben, untersuchen Forscher auf der ganzen Welt aktiv verschiedene Aspekte dieses vielversprechenden Quantenmaterials, um sein volles Potenzial auszuschöpfen.
Der Hauptunterschied zwischen dem neuen Quantenmaterial
In ferromagnetischem Material MnBi₆Te₁₀Die einzelnen Manganatome sind parallel ausgerichtet, das heißt, ihre magnetischen Momente zeigen alle in die gleiche Richtung. Im Gegensatz dazu werden bei seinem antiferromagnetischen Vorgänger MnBi₂Te₄ nur die magnetischen Momente innerhalb einer einzelnen Materialschicht auf diese Weise ausgerichtet.
Die Situation wurde durch eine kleine Änderung der Chemikalien verändertKristallzusammensetzung. Dadurch zeichnet sich der topologische Isolator MnBi₆Te₁₀ durch ein stärkeres und zuverlässigeres Magnetfeld aus als sein antiferromagnetischer Vorgänger.
Abstraktion. Foto: Drahtstock
„Es ist uns gelungen, Quantenmaterial herzustellenMnBi₆Te₁₀ so, dass es bei einer Temperatur von 12 Kelvin ferromagnetisch wird. Obwohl diese Temperatur von -261 °C für Computerkomponenten noch zu niedrig ist, ist es ein erster Schritt“, erklärt Professor Vladimir Khinkov aus Würzburg. Seine Gruppe entdeckte, dass die Oberfläche des Materials ferromagnetische Eigenschaften aufweist, die es ihm ermöglichen, Strom verlustfrei zu leiten. Es ist bemerkenswert, dass sein innerer Teil zu diesem Zeitpunkt diese Eigenschaft nicht besaß.
Nicht nur die Forschungsgruppe ct.qmat versuchte im Labor einen ferromagnetischen topologischen Isolator herzustellen. „Nach dem Erfolg von MnBi₂Te₄ begannen Forscher auf der ganzen Welt mit der Suche nach neuen Kandidaten für die Rolle magnetischer topologischer Isolatoren. Im Jahr 2019 synthetisierten vier verschiedene Gruppen MnBi₆Te₁₀, aber erst in unserem Labor zeigte dieses ungewöhnliche Material ferromagnetische Eigenschaften“, erklärt Isaeva, heute Professorin für Experimentalphysik an der Universität Amsterdam.
Störung in der Atomstruktur
Bei Materialchemikern aus DresdenIsaevas Führung fand heraus, wie man kristallines Material herstellen kann, und machte eine erstaunliche Entdeckung. Es stellte sich heraus, dass einige Atome aus ihrer ursprünglichen Atomschicht entfernt werden mussten. Mit anderen Worten: Sie mussten die natürliche Position im Kristall ändern.
Abstraktion. Foto: Drahtstock
„Verteilung der Manganatome über alle SchichtenDer Kristall bewirkt, dass die umgebenden Atome ihr magnetisches Moment in die gleiche Richtung ändern. Magnetische Ordnung wird ansteckend“, erklärt Isaeva. „Die atomare Unordnung, die wir in einem Kristall beobachten, wird in der Chemie und Physik allgemein als destruktiv angesehen. Geordnete Atomstrukturen lassen sich leichter berechnen und besser verstehen, liefern aber nicht immer das gewünschte Ergebnis“, fügt Khinkov hinzu. „Diese Störung ist der entscheidende Mechanismus, durch den MnBi6Te10 ferromagnetisch wird“, betont Isaeva.
Wer hat die Recherche durchgeführt?
Wissenschaftler ct.qmat von den beiden Universitäten TU Dresden und JMU Würzburg sowie vom Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) in Dresden arbeiteten gemeinsam an der bahnbrechenden Forschung. Die Kristalle wurden von Materialchemikern unter der Leitung von Isaeva (TU Dresden) hergestellt. Der Massenferromagnetismus der Proben wurde anschließend am IFW entdeckt, wo Dr. Jorge I. Fazio eine umfassende Theorie entwickelte, um sowohl den ungeordneten Ferromagnetismus von MnBi6Te10 als auch seinen antiferromagnetischen Gegenstücken zu erklären. Hinkovs Team von der JMU Würzburg führte Messungen lebenswichtiger Oberflächen durch.
Was weiter?
Forscher arbeiten derzeit daranErzielung von Ferromagnetismus bei deutlich höheren Temperaturen. Sie haben bereits erste Fortschritte gemacht und erreichen etwa 70 Kelvin (-203,15 °C). Wissenschaftler stehen außerdem vor der Aufgabe, ultratiefe Temperaturen zu erhöhen, bei denen exotische Quanteneffekte auftreten, da die verlustfreie Stromleitung erst bei Temperaturen von 1 bis 2 Kelvin (von −272,15 °C auf −271,15 °C) beginnt.
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