Les isolants topologiques magnétiques sont une classe exotique de matériaux conducteurs
La chose la plus étonnante à propos du nouveau matériau quantique estses propriétés ferromagnétiques n'apparaissent que lorsque certains atomes changent de place, introduisant du désordre. Les détails du développement ont été publiés dans la revue Advanced Science.
Matériau précurseur
Isolateur topologique avec ferromagnétiqueles propriétés ont été créées sur la base d’un autre matériau. En 2019, un groupe de recherche international dirigé par la chimiste des matériaux Anna Isaeva, alors professeur junior au ct.qmat (Complexité et topologie dans la matière quantique), a fait sensation en produisant le premier isolant topologique antiferromagnétique au monde : le tellurure de manganèse-bismuth (MnBi₂Te₄) .
Ce matériau a son propre internechamp magnétique, ouvrant la voie à de nouveaux types de composants électroniques. Ils pourront stocker des informations à l’aide d’aimants et les transmettre sur une surface sans aucune résistance. Cela révolutionnera les ordinateurs, les rendant plus durables et économes en énergie. Depuis que les physiciens ont découvert MnBi₂Te₄, les chercheurs du monde entier étudient activement divers aspects de ce matériau quantique prometteur dans le but d’exploiter tout son potentiel.
La principale différence entre le nouveau matériau quantique
En matériau ferromagnétique MnBi₆Te₁₀Les atomes de manganèse individuels sont alignés parallèlement, ce qui signifie que tous leurs moments magnétiques pointent dans la même direction. En revanche, dans son prédécesseur antiferromagnétique, MnBi₂Te₄, seuls les moments magnétiques au sein d’une seule couche de matériau sont ainsi alignés.
La situation a été modifiée par un petit changement de produit chimiquecomposition cristalline. En conséquence, l’isolant topologique MnBi₆Te₁₀ se distingue par un champ magnétique plus fort et plus fiable que son prédécesseur antiferromagnétique.
Abstraction. Photo: wirestock
« Nous avons réussi à produire du matériel quantiqueMnBi₆Te₁₀ de telle manière qu'il devient ferromagnétique à une température de 12 Kelvin. Bien que cette température de -261 °C soit encore trop basse pour les composants informatiques, il s'agit d'un premier pas », explique le professeur Vladimir Khinkov de Würzburg. C'est son groupe qui a découvert que la surface du matériau possède des propriétés ferromagnétiques, ce qui lui permet de conduire le courant sans aucune perte. Il est à noter qu’à l’époque sa partie interne ne possède pas cette caractéristique.
Non seulement le groupe de recherche ct.qmat a essayé de créer un isolant topologique ferromagnétique en laboratoire. « Après le succès de MnBi₂Te₄, les chercheurs du monde entier ont commencé à rechercher de nouveaux candidats pour le rôle d’isolants topologiques magnétiques. En 2019, quatre groupes différents ont synthétisé du MnBi₆Te₁₀, mais ce n'est que dans notre laboratoire que ce matériau inhabituel a présenté des propriétés ferromagnétiques », explique Isaeva, aujourd'hui professeur de physique expérimentale à l'Université d'Amsterdam.
Désordre dans la structure atomique
Quand les chimistes des matériaux de DresdeLes dirigeants d'Isaeva ont compris comment produire un matériau cristallin et ont fait une découverte étonnante. Il s’est avéré que certains atomes devaient être retirés de leur couche atomique d’origine. En d’autres termes, ils devaient modifier l’emplacement naturel du cristal.
Abstraction. Photo: wirestock
"Répartition des atomes de manganèse dans toutes les couchesLe cristal amène les atomes environnants à modifier leur moment magnétique dans la même direction. L'ordre magnétique devient contagieux », explique Isaeva. « Le désordre atomique que l’on observe dans un cristal est généralement considéré comme destructeur en chimie et en physique. Les structures atomiques ordonnées sont plus faciles à calculer et mieux comprises, mais elles ne donnent pas toujours le résultat souhaité », ajoute Khinkov. "C'est ce trouble qui constitue le mécanisme critique par lequel MnBi6Te10 devient ferromagnétique", souligne Isaeva.
Qui a fait la recherche ?
Scientifiques côté.qmat des deux universités TU Dresden et JMU Würzburg, ainsi que du Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) de Dresde ont travaillé ensemble sur cette recherche révolutionnaire. Les cristaux ont été préparés par des chimistes des matériaux dirigés par Isaeva (TU Dresden). Le ferromagnétisme global des échantillons a ensuite été découvert à l'IFW, où le Dr Jorge I. Fazio a développé une théorie complète pour expliquer à la fois le ferromagnétisme désordonné du MnBi6Te10 et de ses homologues antiferromagnétiques. L'équipe de Hinkov du JMU Würzburg a effectué des mesures des surfaces vitales.
Et ensuite?
Les chercheurs travaillent actuellement suratteindre le ferromagnétisme à des températures nettement plus élevées. Ils ont déjà fait de premiers progrès, atteignant environ 70 Kelvin (-203,15 °C). Les scientifiques sont également confrontés à la tâche d'augmenter les températures ultra-basses auxquelles apparaissent des effets quantiques exotiques, puisque la conduction du courant sans perte ne commence qu'à des températures de 1 à 2 Kelvin (de -272,15 °C à -271,15 °C).
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