Magnetiniai topologiniai izoliatoriai yra egzotiška laidų medžiagų klasė
Įspūdingiausias naujosios kvantinės medžiagos dalykas yrajo feromagnetinės savybės pasireiškia tik kai kuriems atomams pasikeitus vietomis, įvedant netvarką. Išsami informacija apie plėtrą buvo paskelbta žurnale „Advanced Science“.
Pirmtakų medžiaga
Topologinis izoliatorius su feromagnetiniusavybės buvo sukurtos remiantis kita medžiaga. 2019 m. tarptautinė mokslinių tyrimų grupė, kuriai vadovavo medžiagų chemikė Anna Isaeva, tada Ct.qmat (Kvantinės medžiagos sudėtingumas ir topologija) jaunesnioji profesorė, padarė didelį poveikį, pagamindama pirmąjį pasaulyje antiferomagnetinį topologinį izoliatorių – mangano telūridą – bismutą (MnBi₂Te₄). ).
Ši medžiaga turi savo vidųmagnetinis laukas, atveriantis kelią naujų tipų elektroniniams komponentams. Jie galės saugoti informaciją naudodami magnetus ir perduoti ją paviršiumi be jokio pasipriešinimo. Tai sukels perversmą kompiuteriuose, todėl jie taps tvaresni ir efektyvesni. Nuo tada, kai fizikai atrado MnBi₂Te₄, mokslininkai visame pasaulyje aktyviai tyrinėjo įvairius šios perspektyvios kvantinės medžiagos aspektus, siekdami išnaudoti visą jos potencialą.
Pagrindinis skirtumas tarp naujosios kvantinės medžiagos
Feromagnetinėje medžiagoje MnBi₆Te₁₀Atskiri mangano atomai yra lygiagrečiai, o tai reiškia, kad visi jų magnetiniai momentai yra ta pačia kryptimi. Priešingai, jo antiferomagnetiniame pirmtake MnBi₂Te₄ tokiu būdu yra suderinti tik magnetiniai momentai viename medžiagos sluoksnyje.
Situaciją pakeitė nedidelis chemijos pokytiskristalų kompozicija. Dėl to topologinis izoliatorius MnBi₆Te₁₀ išsiskiria stipresniu ir patikimesniu magnetiniu lauku nei jo antiferomagnetinis pirmtakas.
Abstrakcija. Nuotrauka: wirestock
„Mums pavyko pagaminti kvantinę medžiagąMnBi₆Te₁₀ taip, kad 12 kelvinų temperatūroje jis taptų feromagnetinis. Nors ši -261 °C temperatūra vis dar per žema kompiuterio komponentams, tai yra pirmas žingsnis“, – aiškina profesorius Vladimiras Chinkovas iš Viurcburgo. Būtent jo grupė atrado, kad medžiagos paviršius turi feromagnetinių savybių, leidžiančių jai pravesti srovę be jokių nuostolių. Pažymėtina, kad tuo metu jo vidinė dalis neturi šios savybės.
Ne tik tyrimų grupė ct.qmat laboratorijoje bandė sukurti feromagnetinį topologinį izoliatorių. „Po MnBi₂Te₄ sėkmės mokslininkai visame pasaulyje pradėjo ieškoti naujų kandidatų magnetinių topologinių izoliatorių vaidmeniui. 2019 m. keturios skirtingos grupės susintetino MnBi₆Te₁₀, tačiau tik mūsų laboratorijoje ši neįprasta medžiaga pasižymėjo feromagnetinėmis savybėmis“, – aiškina Isaeva, dabar Amsterdamo universiteto eksperimentinės fizikos profesorė.
Atominės struktūros sutrikimas
Kai medžiagų chemikai iš DrezdenoIsaeva vadovybė suprato, kaip gaminti kristalinę medžiagą, jie padarė nuostabų atradimą. Paaiškėjo, kad kai kuriuos atomus reikėjo perkelti iš pradinio atominio sluoksnio. Kitaip tariant, jiems reikėjo pakeisti natūralią kristalo vietą.
Abstrakcija. Nuotrauka: wirestock
„Mangano atomų pasiskirstymas visuose sluoksniuoseDėl kristalo aplinkiniai atomai keičia savo magnetinį momentą ta pačia kryptimi. Magnetinė tvarka tampa užkrečiama“, – aiškina Isaeva. „Atominis sutrikimas, kurį stebime kristale, paprastai laikomas destruktyviu chemijoje ir fizikoje. Užsakytas atomines struktūras lengviau apskaičiuoti ir geriau suprasti, tačiau jos ne visada duoda norimą rezultatą“, – priduria K.Chinkovas. „Būtent šis sutrikimas yra esminis mechanizmas, dėl kurio MnBi6Te10 tampa feromagnetinis“, – pabrėžia Isaeva.
Kas atliko tyrimą?
Mokslininkai ct.qmat iš dviejų universitetų TU Dresden ir JMU Würzburg, taip pat iš Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Drezdene kartu dirbo prie novatoriško tyrimo. Kristalus paruošė medžiagų chemikai, vadovaujami Isaeva (TU Drezdenas). Didysis mėginių feromagnetizmas vėliau buvo aptiktas IFW, kur daktaras Jorge I. Fazio sukūrė išsamią teoriją, paaiškinančią netvarkingą MnBi6Te10 ir jo antiferomagnetinių atitikmenų feromagnetizmą. Hinkovo komanda iš JMU Würzburg atliko gyvybiškai svarbių paviršių matavimus.
Kas toliau?
Šiuo metu mokslininkai dirbapasiekti feromagnetizmą žymiai aukštesnėje temperatūroje. Jie jau padarė pradinę pažangą ir pasiekė apie 70 kelvinų (-203,15 °C). Mokslininkai taip pat susiduria su užduotimi padidinti itin žemą temperatūrą, kuriai esant atsiranda egzotiški kvantiniai efektai, nes srovės laidumas be nuostolių prasideda tik esant 1–2 kelvinų temperatūrai (nuo –272,15 °C iki –271,15 °C).
Skaityti daugiau:
Biologai išsiaiškina, kaip vėžio ląstelės išvengia imuninės sistemos
Pagaliau įrodyta pagrindinė kvantinės fizikos teorija. Pagrindinis
Pavadinti produktai, apsaugantys smegenis nuo demencijos ir kada juos vartoti
Viršelyje: iliustracija, nuotrauka starline42k