Magnetische topologische isolatoren zijn een exotische klasse materialen die geleiden
Het meest verbazingwekkende aan het nieuwe kwantummateriaal isde ferromagnetische eigenschappen verschijnen alleen wanneer sommige atomen van plaats veranderen, waardoor wanorde ontstaat. Details over de ontwikkeling zijn gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Science.
Voorloper materiaal
Topologische isolator met ferromagnetischeigenschappen zijn gecreëerd op basis van een ander materiaal. In 2019 maakte een internationale onderzoeksgroep onder leiding van materiaalchemicus Anna Isaeva, destijds junior professor bij ct.qmat (Complexity and Topology in Quantum Matter), indruk door 's werelds eerste antiferromagnetische topologische isolator te produceren: mangaantelluride-bismuth (MnBi₂Te₄) .
Dit materiaal heeft zijn eigen internemagnetisch veld, wat de weg vrijmaakt voor nieuwe soorten elektronische componenten. Ze zullen informatie kunnen opslaan met behulp van magneten en deze zonder enige weerstand over een oppervlak kunnen verzenden. Dit zal een revolutie teweegbrengen in computers, waardoor ze duurzamer en energiezuiniger worden. Sinds natuurkundigen MnBi₂Te₄ ontdekten, hebben onderzoekers over de hele wereld actief verschillende aspecten van dit veelbelovende kwantummateriaal bestudeerd in een poging het volledige potentieel ervan te ontsluiten.
Het belangrijkste verschil tussen het nieuwe kwantummateriaal
In ferromagnetisch materiaal MnBi₆Te₁₀De individuele mangaanatomen zijn parallel uitgelijnd, wat betekent dat al hun magnetische momenten in dezelfde richting wijzen. Bij zijn antiferromagnetische voorganger, MnBi₂Te₄, zijn daarentegen alleen de magnetische momenten binnen een enkele materiaallaag op deze manier uitgelijnd.
De situatie werd veranderd door een kleine verandering in de chemische samenstellingkristal samenstelling. Als gevolg hiervan onderscheidt de topologische isolator MnBi₆Te₁₀ zich door een sterker en betrouwbaarder magnetisch veld dan zijn antiferromagnetische voorganger.
Abstractie. Foto: draadmateriaal
“Het is ons gelukt om kwantummateriaal te producerenMnBi₆Te₁₀ zodanig dat het bij een temperatuur van 12 Kelvin ferromagnetisch wordt. Hoewel deze temperatuur van -261 °C nog steeds te laag is voor computercomponenten, is het een eerste stap”, legt professor Vladimir Khinkov uit Würzburg uit. Het was zijn groep die ontdekte dat het oppervlak van het materiaal ferromagnetische eigenschappen heeft, waardoor het stroom kan geleiden zonder enig verlies. Het is opmerkelijk dat het interne deel op dat moment dit kenmerk niet bezit.
Niet alleen de onderzoeksgroep ct.qmat probeerde in het laboratorium een ferromagnetische topologische isolator te creëren. “Na het succes van MnBi₂Te₄ gingen onderzoekers over de hele wereld op zoek naar nieuwe kandidaten voor de rol van magnetische topologische isolatoren. In 2019 synthetiseerden vier verschillende groepen MnBi₆Te₁₀, maar alleen in ons laboratorium vertoonde dit ongebruikelijke materiaal ferromagnetische eigenschappen”, legt Isaeva uit, nu hoogleraar experimentele natuurkunde aan de Universiteit van Amsterdam.
Stoornis in de atomaire structuur
Wanneer materiaalchemici uit DresdenIsaeva's leiderschap ontdekte hoe ze kristallijn materiaal moesten produceren en deden een verbazingwekkende ontdekking. Het bleek dat sommige atomen uit hun oorspronkelijke atoomlaag moesten worden verplaatst. Met andere woorden, ze moesten de natuurlijke locatie in het kristal veranderen.
Abstractie. Foto: draadmateriaal
“Verdeling van mangaanatomen over alle lagenHet kristal zorgt ervoor dat de omringende atomen hun magnetische moment in dezelfde richting veranderen. Magnetische orde wordt besmettelijk”, legt Isaeva uit. “De atomaire wanorde die we in een kristal waarnemen, wordt in de scheikunde en natuurkunde over het algemeen als destructief beschouwd. Geordende atomaire structuren zijn gemakkelijker te berekenen en beter te begrijpen, maar geven niet altijd het gewenste resultaat”, voegt Khinkov toe. “Het is deze stoornis die het kritische mechanisme is waardoor MnBi6Te10 ferromagnetisch wordt”, benadrukt Isaeva.
Wie heeft het onderzoek gedaan?
Wetenschappers ct.qmat van de twee universiteiten TU Dresden en JMU Würzburg, evenals van het Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) in Dresden werkten samen aan het baanbrekende onderzoek. De kristallen werden bereid door materiaalchemici onder leiding van Isaeva (TU Dresden). Het bulkferromagnetisme van de monsters werd vervolgens ontdekt bij IFW, waar Dr. Jorge I. Fazio een alomvattende theorie ontwikkelde om zowel het ongeordende ferromagnetisme van MnBi6Te10 als zijn antiferromagnetische tegenhangers te verklaren. Hinkovs team van JMU Würzburg voerde metingen uit aan vitale oppervlakken.
Wat is de volgende stap?
Onderzoekers zijn er momenteel mee bezighet bereiken van ferromagnetisme bij aanzienlijk hogere temperaturen. Ze hebben de eerste vooruitgang al geboekt en bereiken een temperatuur van ongeveer 70 Kelvin (-203,15 °C). Wetenschappers worden ook geconfronteerd met de taak om de ultralage temperaturen te verhogen waarbij exotische kwantumeffecten optreden, aangezien verliesloze stroomgeleiding pas begint bij temperaturen van 1 tot 2 Kelvin (van −272,15 °C tot −271,15 °C).
Lees verder:
Biologen ontdekken hoe kankercellen aan het immuunsysteem ontsnappen
De sleuteltheorie van de kwantumfysica is eindelijk bewezen. Voornaamst
Benoemde producten die de hersenen beschermen tegen dementie en wanneer ze moeten worden gebruikt
Op de omslag: illustratie, foto starline42k