Οι μαγνητικοί τοπολογικοί μονωτές είναι μια εξωτική κατηγορία υλικών που αγώγουν
Το πιο εκπληκτικό πράγμα για το νέο κβαντικό υλικό είναιΟι σιδηρομαγνητικές του ιδιότητες εμφανίζονται μόνο όταν κάποια από τα άτομα αλλάζουν θέση, εισάγοντας αταξία. Λεπτομέρειες για την ανάπτυξη δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Advanced Science.
Πρόδρομο υλικό
Τοπολογικός μονωτήρας με σιδηρομαγνητικόιδιότητες δημιουργήθηκαν με βάση άλλο υλικό. Το 2019, μια διεθνής ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τη χημικό υλικών Anna Isaeva, τότε κατώτερη καθηγήτρια στο ct.qmat (Complexity and Topology in Quantum Matter), έκανε θραύση παράγοντας τον πρώτο αντισιδηρομαγνητικό τοπολογικό μονωτή στον κόσμο—τελλουρίδιο μαγγανίου-βισμούθιο (Te₄₄ ).
Αυτό το υλικό έχει το δικό του εσωτερικόμαγνητικό πεδίο, ανοίγοντας το δρόμο για νέους τύπους ηλεκτρονικών εξαρτημάτων. Θα μπορούν να αποθηκεύουν πληροφορίες χρησιμοποιώντας μαγνήτες και να τις μεταδίδουν σε μια επιφάνεια χωρίς αντίσταση. Αυτό θα φέρει επανάσταση στους υπολογιστές, καθιστώντας τους πιο βιώσιμους και ενεργειακά αποδοτικούς. Από τότε που οι φυσικοί ανακάλυψαν το MnBi2Te4, ερευνητές σε όλο τον κόσμο μελετούν ενεργά διάφορες πτυχές αυτού του πολλά υποσχόμενου κβαντικού υλικού σε μια προσπάθεια να ξεκλειδώσουν πλήρως τις δυνατότητές του.
Η κύρια διαφορά μεταξύ του νέου κβαντικού υλικού
Σε σιδηρομαγνητικό υλικό MnBi6Te10Τα μεμονωμένα άτομα μαγγανίου είναι ευθυγραμμισμένα παράλληλα, που σημαίνει ότι όλες οι μαγνητικές ροπές τους δείχνουν προς την ίδια κατεύθυνση. Αντίθετα, στον αντισιδηρομαγνητικό προκάτοχό του, MnBi2Te4, μόνο οι μαγνητικές ροπές μέσα σε ένα μόνο στρώμα υλικού ευθυγραμμίζονται με αυτόν τον τρόπο.
Η κατάσταση άλλαξε με μια μικρή αλλαγή στο χημικόκρυσταλλική σύνθεση. Ως αποτέλεσμα, ο τοπολογικός μονωτήρας MnBi6Te10 διακρίνεται από ένα ισχυρότερο και πιο αξιόπιστο μαγνητικό πεδίο από τον αντισιδηρομαγνητικό προκάτοχό του.
Αφαίρεση. Φωτογραφία: wirestock
«Καταφέραμε να παράγουμε κβαντικό υλικόMnBi6Te10 με τέτοιο τρόπο ώστε να γίνεται σιδηρομαγνητικό σε θερμοκρασία 12 Kelvin. Αν και αυτή η θερμοκρασία των -261 °C εξακολουθεί να είναι πολύ χαμηλή για τα εξαρτήματα του υπολογιστή, είναι ένα πρώτο βήμα», εξηγεί ο καθηγητής Vladimir Khinkov από το Würzburg. Ήταν η ομάδα του που ανακάλυψε ότι η επιφάνεια του υλικού έχει σιδηρομαγνητικές ιδιότητες, που του επιτρέπουν να διεξάγει ρεύμα χωρίς καμία απώλεια. Είναι αξιοσημείωτο ότι τότε το εσωτερικό του τμήμα δεν διαθέτει αυτό το χαρακτηριστικό.
Όχι μόνο η ερευνητική ομάδα ct.Η qmat προσπάθησε να δημιουργήσει έναν σιδηρομαγνητικό τοπολογικό μονωτή στο εργαστήριο. «Μετά την επιτυχία του MnBi2Te4, ερευνητές σε όλο τον κόσμο άρχισαν να αναζητούν νέους υποψηφίους για το ρόλο των μαγνητικών τοπολογικών μονωτών. Το 2019, τέσσερις διαφορετικές ομάδες συνέθεσαν MnBi₆Te10, αλλά μόνο στο εργαστήριό μας αυτό το ασυνήθιστο υλικό παρουσίασε σιδηρομαγνητικές ιδιότητες», εξηγεί η Isaeva, τώρα καθηγήτρια πειραματικής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ.
Διαταραχή στην ατομική δομή
Όταν χημικοί υλικών από τη ΔρέσδηΗ ηγεσία της Isaeva κατάλαβε πώς να παράγει κρυσταλλικό υλικό, έκαναν μια εκπληκτική ανακάλυψη. Αποδείχθηκε ότι ορισμένα άτομα έπρεπε να μετακινηθούν από το αρχικό ατομικό τους στρώμα. Με άλλα λόγια, έπρεπε να αλλάξουν τη φυσική θέση στον κρύσταλλο.
Αφαίρεση. Φωτογραφία: wirestock
«Κατανομή των ατόμων μαγγανίου σε όλα τα στρώματαΟ κρύσταλλος αναγκάζει τα γύρω άτομα να αλλάξουν τη μαγνητική τους ροπή προς την ίδια κατεύθυνση. Η μαγνητική τάξη γίνεται μεταδοτική», εξηγεί η Isaeva. «Η ατομική διαταραχή που παρατηρούμε σε έναν κρύσταλλο θεωρείται γενικά καταστροφική στη χημεία και τη φυσική. Οι διατεταγμένες ατομικές δομές είναι πιο εύκολο να υπολογιστούν και να κατανοηθούν καλύτερα, αλλά δεν δίνουν πάντα το επιθυμητό αποτέλεσμα», προσθέτει ο Khinkov. «Αυτή η διαταραχή είναι ο κρίσιμος μηχανισμός λόγω του οποίου το MnBi6Te10 γίνεται σιδηρομαγνητικό», τονίζει η Isaeva.
Ποιος έκανε την έρευνα;
Επιστήμονες ct.qmat από τα δύο πανεπιστήμια TU Dresden και JMU Würzburg, καθώς και από το Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) στη Δρέσδη συνεργάστηκαν στην πρωτοποριακή έρευνα. Οι κρύσταλλοι παρασκευάστηκαν από χημικούς υλικών με επικεφαλής τον Isaeva (TU Dresden). Ο μαζικός σιδηρομαγνητισμός των δειγμάτων ανακαλύφθηκε στη συνέχεια στο IFW, όπου ο Δρ. Jorge I. Fazio ανέπτυξε μια περιεκτική θεωρία για να εξηγήσει τόσο τον διαταραγμένο σιδηρομαγνητισμό του MnBi6Te10 όσο και τους αντισιδηρομαγνητικούς ομολόγους του. Η ομάδα του Hinkov από το JMU Würzburg πραγματοποίησε μετρήσεις ζωτικών επιφανειών.
Τι άλλο;
Οι ερευνητές εργάζονται επί του παρόντοςεπιτυγχάνοντας σιδηρομαγνητισμό σε σημαντικά υψηλότερες θερμοκρασίες. Έχουν ήδη σημειώσει αρχική πρόοδο, φτάνοντας περίπου τους 70 Kelvin (-203,15 °C). Οι επιστήμονες αντιμετωπίζουν επίσης το καθήκον να αυξήσουν τις εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες στις οποίες εμφανίζονται εξωτικά κβαντικά φαινόμενα, καθώς η αγωγιμότητα του ρεύματος χωρίς απώλειες ξεκινά μόνο σε θερμοκρασίες από 1 έως 2 Kelvin (από -272,15 °C έως -271,15 °C).
Διαβάστε περισσότερα:
Οι βιολόγοι ανακαλύπτουν πώς τα καρκινικά κύτταρα ξεφεύγουν από το ανοσοποιητικό σύστημα
Η βασική θεωρία της κβαντικής φυσικής έχει επιτέλους αποδειχθεί. Κύριος
Επώνυμα προϊόντα που προστατεύουν τον εγκέφαλο από την άνοια και πότε πρέπει να τα χρησιμοποιείτε
Στο εξώφυλλο: εικονογράφηση, φωτογραφία starline42k