Magneettiset topologiset eristeet ovat eksoottinen materiaaliluokka, joka johtaa
Hämmästyttävin asia uudessa kvanttimateriaalissa onsen ferromagneettiset ominaisuudet ilmenevät vain, kun jotkut atomeista vaihtavat paikkoja, mikä aiheuttaa epäjärjestystä. Yksityiskohdat kehityksestä julkaistiin Advanced Science -lehdessä.
Esiastemateriaali
Topologinen eriste ferromagneettisellaominaisuudet luotiin toisen materiaalin perusteella. Vuonna 2019 kansainvälinen tutkimusryhmä, jota johti materiaalikemisti Anna Isaeva, joka oli tuolloin ct.qmatin (Complexity and Topology in Quantum Matter) nuorempi professori, tuotti maailman ensimmäisen antiferromagneettisen topologisen eristeen – mangaanitelluridi-vismuttia (MnBi₂Te₄). ).
Tällä materiaalilla on oma sisäinenmagneettikenttä, joka avaa tietä uudentyyppisille elektronisille komponenteille. He pystyvät tallentamaan tietoa magneettien avulla ja lähettämään sen pinnan poikki ilman vastusta. Tämä mullistaa tietokoneet ja tekee niistä kestävämpiä ja energiatehokkaampia. Siitä lähtien, kun fyysikot löysivät MnBi₂Te₄, tutkijat ympäri maailmaa ovat aktiivisesti tutkineet tämän lupaavan kvanttimateriaalin eri puolia yrittääkseen vapauttaa sen täyden potentiaalin.
Suurin ero uuden kvanttimateriaalin välillä
Ferromagneettisessa materiaalissa MnBi₆Te₁0Yksittäiset mangaaniatomit ovat rinnakkain, mikä tarkoittaa, että niiden kaikki magneettiset momentit osoittavat samaan suuntaan. Sitä vastoin sen antiferromagneettisessa edeltäjässä, MnBi2Te4, vain magneettiset momentit yksittäisessä materiaalikerroksessa on kohdistettu tällä tavalla.
Tilannetta muutti pieni muutos kemikaalissakristallikoostumus. Tämän seurauksena topologinen eriste MnBi6Te10 erottuu vahvemmasta ja luotettavammasta magneettikentästä kuin sen antiferromagneettinen edeltäjä.
Abstraktio. Kuva: wirestock
”Onnistuimme tuottamaan kvanttimateriaaliaMnBi₆Te₁0 siten, että se muuttuu ferromagneettiseksi 12 Kelvinin lämpötilassa. Vaikka tämä -261 °C:n lämpötila on edelleen liian alhainen tietokonekomponenteille, se on ensimmäinen askel”, selittää professori Vladimir Khinkov Würzburgista. Hänen ryhmänsä havaitsi, että materiaalin pinnalla on ferromagneettisia ominaisuuksia, joiden ansiosta se voi johtaa virtaa ilman häviöitä. On huomionarvoista, että tuolloin sen sisäisellä osalla ei ole tätä ominaisuutta.
Ei vain tutkimusryhmä ct.qmat yritti luoda ferromagneettisen topologisen eristimen laboratoriossa. ”MnBi₂Te4:n menestyksen jälkeen tutkijat ympäri maailmaa alkoivat etsiä uusia ehdokkaita magneettisten topologisten eristeiden rooliin. Vuonna 2019 neljä eri ryhmää syntetisoi MnBi₆Te₁₀, mutta vain laboratoriossamme tämä epätavallinen materiaali osoitti ferromagneettisia ominaisuuksia”, selittää Isaeva, nykyään kokeellisen fysiikan professori Amsterdamin yliopistosta.
Häiriö atomirakenteessa
Kun materiaalikemistit DresdenistäIsaevan johto keksi kuinka tuottaa kiteistä materiaalia, he tekivät hämmästyttävän löydön. Kävi ilmi, että jotkut atomit piti siirtää alkuperäisestä atomikerroksestaan. Toisin sanoen heidän oli muutettava luonnollista sijaintia kristallissa.
Abstraktio. Kuva: wirestock
"Mangaaniatomien jakautuminen kaikkiin kerroksiinKide saa ympäröivät atomit muuttamaan magneettista momenttiaan samaan suuntaan. Magneettinen järjestys tarttuu”, Isaeva selittää. "Kideissä havaitsemamme atomihäiriö katsotaan yleensä tuhoavana kemiassa ja fysiikassa. Järjestetyt atomirakenteet on helpompi laskea ja ymmärtää paremmin, mutta ne eivät aina anna toivottua tulosta”, Khinkov lisää. "Tämä häiriö on se kriittinen mekanismi, jonka vuoksi MnBi6Te10 muuttuu ferromagneettiseksi", Isaeva korostaa.
Kuka teki tutkimuksen?
Tiedemiehet ct.qmat kahdesta yliopistosta TU Dresden ja JMU Würzburg sekä Dresdenin Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) työskentelivät yhdessä uraauurtavan tutkimuksen parissa. Kiteet valmistivat Isaevan (TU Dresden) johtamat materiaalikemistit. Näytteiden ferromagnetismi löydettiin myöhemmin IFW:ssä, jossa tohtori Jorge I. Fazio kehitti kattavan teorian selittääkseen sekä MnBi6Te10:n epäjärjestyneen ferromagnetismin että sen antiferromagneettisten vastineiden. Hinkovin tiimi JMU Würzburgista mittasi elintärkeitä pintoja.
Mitä seuraavaksi?
Tutkijat työskentelevät parhaillaanferromagnetismin saavuttaminen huomattavasti korkeammissa lämpötiloissa. Ne ovat jo edistyneet ja saavuttaneet noin 70 kelviniä (-203,15 °C). Tutkijoiden edessä on myös tehtävä nostaa erittäin alhaisia lämpötiloja, joissa eksoottisia kvanttivaikutuksia ilmaantuu, koska häviötön virran johtaminen alkaa vain lämpötiloissa 1 - 2 Kelvin (-272,15 °C - -271,15 °C).
Lue lisää:
Biologit selvittävät, kuinka syöpäsolut pääsevät eroon immuunijärjestelmästä
Kvanttifysiikan avainteoria on vihdoin todistettu. Main
Nimetyt tuotteet, jotka suojaavat aivoja dementialta ja milloin niitä tulee käyttää
Kannessa: kuvitus, valokuva starline42k