磁気トポロジカル絶縁体は、伝導性を有する珍しい種類の材料です。
新しい量子材料の最も驚くべき点は、その強磁性特性は、原子の一部が場所を変えて無秩序を導入した場合にのみ現れます。開発の詳細は、Advanced Science 誌に掲載されました。
前駆体材料
強磁性を備えたトポロジカル絶縁体プロパティは別のマテリアルに基づいて作成されました。 2019年、当時ct.qmat（量子物質の複雑性とトポロジー）の准教授だった材料化学者のアンナ・イサエバ率いる国際研究グループは、世界初の反強磁性トポロジカル絶縁体であるテルル化マンガンビスマス（MnBi₂Te₄）を生成して話題を呼んだ。 。
このマテリアルには独自の内部があります。磁場を利用して、新しいタイプの電子部品への道を切り開きます。磁石を使用して情報を保存し、抵抗なく表面全体に情報を送信できるようになります。これによりコンピューターに革命が起こり、持続可能性とエネルギー効率が向上します。物理学者が MnBi₂Te₄ を発見して以来、世界中の研究者がこの有望な量子材料の可能性を最大限に引き出すために、この有望な量子材料のさまざまな側面を積極的に研究してきました。
新しい量子材料の主な違い
強磁性体ではMnBi₆Te₁₀個々のマンガン原子は平行に整列しています。これは、それらのすべての磁気モーメントが同じ方向を向いていることを意味します。対照的に、その反強磁性の前身である MnBi2Te4 では、材料の単一層内の磁気モーメントのみがこのように整列します。
化学物質の小さな変化によって状況は変わった結晶組成。その結果、トポロジカル絶縁体 MnBi6Te10 は、その反強磁性体よりも強力で信頼性の高い磁場によって区別されます。
抽象化。写真: ワイヤーストック
「量子物質の生成に成功したMnBi₆Te₁₀ は 12 ケルビンの温度で強磁性になります。この -261 °C という温度はコンピューターのコンポーネントとしてはまだ低すぎますが、これは最初のステップです」とヴュルツブルクのウラジミール・ヒンコフ教授は説明します。彼のグループは、材料の表面が強磁性の性質を持っており、それによって損失なく電流を流すことができることを発見しました。注目すべきは、当時、その内部部分がこの特性を持っていなかったことです。
研究グループctだけではありません。qmat は実験室で強磁性トポロジカル絶縁体を作成しようとしました。 「MnBi₂Te₄の成功後、世界中の研究者は磁気トポロジカル絶縁体の役割の新しい候補を探し始めました。 2019年に4つの異なるグループがMnBi₆Te₁₀を合成しましたが、この珍しい材料が強磁性特性を示したのは私たちの研究室だけでした」と現在アムステルダム大学で実験物理学の教授を務めるイサエバ氏は説明する。
原子構造の乱れ
材料化学者がドレスデンから来たときイサエバのリーダーシップは結晶材料を生成する方法を発見し、驚くべき発見をしました。一部の原子は元の原子層から移動する必要があることが判明しました。言い換えれば、結晶内の自然な位置を変更する必要がありました。
抽象化。写真: ワイヤーストック
「すべての層にわたるマンガン原子の分布」結晶は周囲の原子の磁気モーメントを同じ方向に変化させます。磁気秩序は伝染します」とイサエバ氏は説明します。 「結晶内で観察される原子の無秩序は、一般に化学や物理学において破壊的であると考えられています。規則正しい原子構造は計算が容易で理解も深まりますが、常に望ましい結果が得られるわけではありません」とヒンコフ氏は付け加えます。 「この無秩序こそが、MnBi6Te10 が強磁性になる重要なメカニズムです」と Isaeva 氏は強調します。
誰が調査を行ったのですか?
科学者ct。TU ドレスデンと JMU ヴュルツブルクの 2 つの大学の qmat と、ドレスデンのライプニッツ研究所 (IFW) の qmat が、この画期的な研究に協力しました。結晶は、Isaeva (ドレスデン工科大学) 率いる材料化学者によって調製されました。その後、サンプルのバルク強磁性が IFW で発見され、ホルヘ I. ファジオ博士は、MnBi6Te10 の乱れた強磁性とその反強磁性の対応物の両方を説明する包括的な理論を開発しました。 JMU ヴュルツブルクのヒンコフ氏のチームは、生体表面の測定を実施しました。
次は何ですか？
研究者たちは現在取り組んでいますかなり高い温度で強磁性を実現します。すでに初期の進歩を遂げており、約 70 ケルビン (-203.15 °C) に達しています。無損失電流伝導は 1 ～ 2 ケルビン (-272.15 °C ～ -271.15 °C) の温度でのみ開始されるため、科学者はエキゾチックな量子効果が現れる超低温を高めるという課題にも直面しています。
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表紙：イラスト、写真 starline42k