מבודדים טופולוגיים מגנטיים הם סוג אקזוטי של חומרים מוליכים
הדבר הכי מדהים בחומר הקוונטי החדש הואהתכונות הפרומגנטיות שלו מופיעות רק כאשר חלק מהאטומים משנים מקום, ומציגים אי סדר. פרטים על הפיתוח פורסמו בכתב העת Advanced Science.
חומר מבשר
מבודד טופולוגי עם פרומגנטימאפיינים נוצרו על בסיס חומר אחר. ב- 2019, קבוצת מחקר בינלאומית בראשות כימאית החומרים אנה איסאיבה, אז פרופסור זוטר ב-ct.qmat (מורכבות וטופולוגיה בחומר קוונטי), עשתה חיל בהפקת המבודד הטופולוגי האנטי-פרומגנטי הראשון בעולם - מנגן טלוריד-ביסמוט (MnBi₄Te) ).
לחומר זה יש פנימי משלושדה מגנטי, סולל את הדרך לסוגים חדשים של רכיבים אלקטרוניים. הם יוכלו לאחסן מידע באמצעות מגנטים ולשדר אותו על פני משטח ללא כל התנגדות. זה יעשה מהפכה במחשבים, ויהפוך אותם ליותר קיימא וחסכוניים באנרגיה. מאז שפיזיקאים גילו את MnBi₂Te₄, חוקרים ברחבי העולם חוקרים באופן פעיל היבטים שונים של החומר הקוונטי המבטיח הזה במאמץ לנצל את מלוא הפוטנציאל שלו.
ההבדל העיקרי בין החומר הקוונטי החדש
בחומר פרומגנטי MnBi₆Te₁₀אטומי המנגן הבודדים מיושרים במקביל, כלומר כל המומנטים המגנטיים שלהם מצביעים לאותו כיוון. לעומת זאת, בקודמו האנטי-פרומגנטי, MnBi₂Te₄, רק המומנטים המגנטיים בתוך שכבת חומר בודדת מיושרים בצורה זו.
המצב השתנה על ידי שינוי קטן בכימיקליםהרכב קריסטל. כתוצאה מכך, המבודד הטופולוגי MnBi₆Te₁₀ נבדל בשדה מגנטי חזק ואמין יותר מקודמו האנטי-פרומגנטי.
הַפשָׁטָה. צילום: wirestock
"הצלחנו לייצר חומר קוונטיMnBi₆Te₁₀ בצורה כזו שהוא הופך לפרומגנטי בטמפרטורה של 12 קלווין. למרות שהטמפרטורה הזו של -261 מעלות צלזיוס עדיין נמוכה מדי עבור רכיבי מחשב, זה צעד ראשון", מסביר פרופסור ולדימיר חינקוב מווירצבורג. הקבוצה שלו היא שגילתה שלפני החומר יש תכונות פרומגנטיות, המאפשרות לו להוביל זרם ללא הפסדים. ראוי לציין שבאותה עת החלק הפנימי שלו אינו בעל מאפיין זה.
לא רק קבוצת המחקר ct.qmat ניסתה ליצור מבודד טופולוגי פרומגנטי במעבדה. "לאחר ההצלחה של MnBi₂Te₄, חוקרים ברחבי העולם החלו לחפש מועמדים חדשים לתפקיד של מבודדים טופולוגיים מגנטיים. בשנת 2019, ארבע קבוצות שונות סינתזו MnBi₆Te₁₀, אבל רק במעבדה שלנו הפגין החומר הבלתי רגיל הזה תכונות פרומגנטיות", מסבירה Isaeva, כיום פרופסור לפיזיקה ניסויית באוניברסיטת אמסטרדם.
הפרעה במבנה האטומי
כאשר חומרים כימאים מדרזדןההנהגה של Isaeva גילתה איך לייצר חומר גבישי, הם גילו תגלית מדהימה. התברר שצריך להעביר כמה אטומים מהשכבה האטומית המקורית שלהם. במילים אחרות, הם היו צריכים לשנות את המיקום הטבעי בגביש.
הַפשָׁטָה. צילום: wirestock
"חלוקה של אטומי מנגן על פני כל השכבותהגביש גורם לאטומים שמסביב לשנות את המומנט המגנטי שלהם באותו כיוון. סדר מגנטי הופך למדבק", מסבירה איסאיבה. "ההפרעה האטומית שאנו רואים בגביש נחשבת בדרך כלל להרסנית בכימיה ובפיזיקה. מבנים אטומיים מסודרים קלים יותר לחישוב ומובנים טוב יותר, אבל הם לא תמיד נותנים את התוצאה הרצויה", מוסיף חינקוב. "ההפרעה הזו היא המנגנון הקריטי שבגללו MnBi6Te10 הופך לפרומגנטי", מדגישה Isaeva.
מי ביצע את המחקר?
מדענים ct.qmat משתי האוניברסיטאות TU Dresden ו-JMU Würzburg, כמו גם מ- Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) בדרזדן עבדו יחד על המחקר פורץ הדרך. הגבישים הוכנו על ידי כימאים של חומרים בראשות Isaeva (TU Dresden). הפרומגנטיות המרובה של הדגימות התגלתה לאחר מכן ב-IFW, שם ד"ר חורחה I. Fazio פיתח תיאוריה מקיפה כדי להסביר גם את הפרומגנטיות הפרועה של MnBi6Te10 וגם את עמיתיו האנטי-פרומגנטיים. הצוות של Hinkov מ-JMU Würzburg ביצע מדידות של משטחים חיוניים.
מה הלאה?
חוקרים עובדים כעת עלהשגת פרומגנטיות בטמפרטורות גבוהות משמעותית. הם כבר עשו התקדמות ראשונית, והגיעו לכ-70 קלווין (-203.15 מעלות צלזיוס). מדענים עומדים גם בפני המשימה של הגברת טמפרטורות נמוכות במיוחד שבהן מופיעות השפעות קוונטיות אקזוטיות, שכן הולכת זרם ללא הפסדים מתחילה רק בטמפרטורות שבין 1 ל-2 קלווין (מ-272.15 מעלות צלזיוס ל-271.15 מעלות צלזיוס).
קרא עוד:
ביולוגים מגלים כיצד תאים סרטניים חומקים ממערכת החיסון
תורת המפתח של פיזיקת הקוונטים הוכחה סוף סוף. רָאשִׁי
מוצרים בעלי שם המגנים על המוח מפני דמנציה, ומתי להשתמש בהם
על הכריכה: איור, תמונה starline42k