Magnētiskie topoloģiskie izolatori ir eksotiska materiālu klase, kas vada
Pārsteidzošākais jaunajā kvantu materiālā irtā feromagnētiskās īpašības parādās tikai tad, kad daži atomi mainās vietām, ieviešot traucējumus. Sīkāka informācija par attīstību tika publicēta žurnālā Advanced Science.
Prekursoru materiāls
Topoloģiskais izolators ar feromagnētiskoīpašības tika izveidotas, pamatojoties uz citu materiālu. 2019. gadā starptautiska pētniecības grupa, ko vadīja materiālu ķīmiķe Anna Isaeva, kas tolaik bija ct.qmat (Kvantu matērijas sarežģītība un topoloģija) jaunākā profesore, radīja pasaulē pirmo antiferomagnētisko topoloģisko izolatoru — telurīdu. mangāns-bismuts (MnBi₂Te4).
Šim materiālam ir savs iekšējaismagnētiskais lauks, paverot ceļu jauniem elektronisko komponentu veidiem. Viņi varēs uzglabāt informāciju, izmantojot magnētus, un bez pretestības pārraidīt to pa virsmu. Tas radīs apvērsumu datoros, padarot tos ilgtspējīgākus un energoefektīvākus. Kopš fiziķi atklāja MnBi₂Te₄, pētnieki visā pasaulē ir aktīvi pētījuši dažādus šī daudzsološā kvantu materiāla aspektus, cenšoties pilnībā atraisīt tā potenciālu.
Galvenā atšķirība starp jauno kvantu materiālu
Feromagnētiskā materiālā MnBi₆Te₁₀Atsevišķi mangāna atomi ir izlīdzināti paralēli, kas nozīmē, ka visi to magnētiskie momenti ir vērsti vienā virzienā. Turpretim tā antiferomagnētiskajā priekšgājējā MnBi₂Te₄ šādā veidā tiek izlīdzināti tikai magnētiskie momenti vienā materiāla slānī.
Situāciju mainīja nelielas ķīmiskās vielas izmaiņaskristāla sastāvs. Rezultātā topoloģiskais izolators MnBi₆Te₁₀ izceļas ar spēcīgāku un uzticamāku magnētisko lauku nekā tā antiferomagnētiskais priekštecis.
Abstrakcija. Foto: wirestock
“Mums izdevās ražot kvantu materiāluMnBi₆Te₁₀ tādā veidā, ka tas kļūst feromagnētisks 12 Kelvinu temperatūrā. Lai gan šī -261 °C temperatūra joprojām ir pārāk zema datora komponentiem, tas ir pirmais solis,” skaidro profesors Vladimirs Khinkovs no Vircburgas. Tieši viņa grupa atklāja, ka materiāla virsmai piemīt feromagnētiskas īpašības, kas ļauj tai vadīt strāvu bez zaudējumiem. Jāatzīmē, ka tajā laikā tā iekšējai daļai nebija šīs īpašības.
Ne tikai pētniecības grupa ct.qmat laboratorijā mēģināja izveidot feromagnētisko topoloģisko izolatoru. "Pēc MnBi₂Te₄ panākumiem pētnieki visā pasaulē sāka meklēt jaunus kandidātus magnētisko topoloģisko izolatoru lomai. 2019. gadā četras dažādas grupas sintezēja MnBi₆Te₁₀, taču tikai mūsu laboratorijā šim neparastajam materiālam bija feromagnētiskas īpašības,” skaidro Isaeva, tagad Amsterdamas Universitātes eksperimentālās fizikas profesore.
Traucējumi atomu struktūrā
Kad materiālu ķīmiķi no DrēzdenesIsaeva vadība izdomāja, kā ražot kristālisku materiālu, viņi izdarīja pārsteidzošu atklājumu. Izrādījās, ka daži atomi bija jāpārvieto no sākotnējā atomu slāņa. Citiem vārdiem sakot, viņiem bija jāmaina dabiskā atrašanās vieta kristālā.
Abstrakcija. Foto: wirestock
"Mangāna atomu sadalījums visos slāņosKristāls liek apkārtējiem atomiem mainīt savu magnētisko momentu tajā pašā virzienā. Magnētiskā kārtība kļūst lipīga,” skaidro Isajeva. "Atomu traucējumi, ko mēs novērojam kristālā, parasti tiek uzskatīti par destruktīviem ķīmijā un fizikā. Pasūtītās atomu struktūras ir vieglāk izskaitļojamas un labāk saprotamas, taču tās ne vienmēr dod vēlamo rezultātu,” piebilst Hinkovs. "Tieši šis traucējums ir kritiskais mehānisms, kura dēļ MnBi6Te10 kļūst feromagnētisks," uzsver Isaeva.
Kas veica pētījumu?
Zinātnieki ct.qmat no divām universitātēm TU Dresden un JMU Würzburg, kā arī no Leibnicas Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Drēzdenē strādāja kopā pie revolucionāra pētījuma. Kristālus sagatavoja materiālu ķīmiķi Isaeva vadībā (TU Drēzdene). Paraugu lielapjoma feromagnētisms pēc tam tika atklāts IFW, kur Dr. Horhe I. Fazio izstrādāja visaptverošu teoriju, lai izskaidrotu gan MnBi6Te10, gan tā antiferomagnētisko kolēģu nesakārtoto feromagnētismu. Hinkova komanda no JMU Würzburg veica vitāli svarīgu virsmu mērījumus.
Kas tālāk?
Pētnieki pašlaik strādā pieferomagnētisma sasniegšana ievērojami augstākās temperatūrās. Viņi jau ir panākuši sākotnējo progresu, sasniedzot aptuveni 70 kelvinus (-203,15 °C). Zinātnieki saskaras arī ar uzdevumu paaugstināt īpaši zemu temperatūru, kurā parādās eksotiski kvantu efekti, jo bezzudumu strāvas vadīšana sākas tikai temperatūrā no 1 līdz 2 kelviniem (no –272,15 °C līdz –271,15 °C).
Lasīt vairāk:
Biologi atklāj, kā vēža šūnas izvairās no imūnsistēmas
Kvantu fizikas galvenā teorija beidzot ir pierādīta. Galvenā
Nosauktie produkti, kas aizsargā smadzenes no demences, un kad tos lietot
Uz vāka: ilustrācija, foto starline42k