Magnetiske topologiske isolatorer er en eksotisk klasse av materialer som leder
Det mest fantastiske med det nye kvantematerialet erdens ferromagnetiske egenskaper vises bare når noen av atomene bytter plass, og introduserer uorden. Detaljer om utviklingen ble publisert i tidsskriftet Advanced Science.
Forløpermateriale
Topologisk isolator med ferromagnetiskegenskaper ble skapt på grunnlag av et annet materiale. I 2019 gjorde en internasjonal forskergruppe ledet av materialkjemiker Anna Isaeva, den gang juniorprofessor ved ct.qmat (Complexity and Topology in Quantum Matter), en sprut ved å produsere verdens første antiferromagnetiske topologiske isolator – mangan tellurid-vismut (MnBi₄Te) ).
Dette materialet har sitt eget indremagnetfelt, baner vei for nye typer elektroniske komponenter. De vil kunne lagre informasjon ved hjelp av magneter og overføre den over en overflate uten motstand. Dette vil revolusjonere datamaskiner og gjøre dem mer bærekraftige og energieffektive. Siden fysikere oppdaget MnBi₂Te₄, har forskere over hele verden aktivt studert ulike aspekter av dette lovende kvantematerialet i et forsøk på å frigjøre dets fulle potensial.
Hovedforskjellen mellom det nye kvantematerialet
I ferromagnetisk materiale MnBi₆Te₁₀De individuelle manganatomene er parallelt justert, noe som betyr at alle deres magnetiske momenter peker i samme retning. I motsetning til dette, i sin antiferromagnetiske forgjenger, MnBi₂Te₄, er bare de magnetiske momentene i et enkelt lag med materiale justert på denne måten.
Situasjonen ble endret av en liten endring i kjemikalietkrystallsammensetning. Som et resultat kjennetegnes den topologiske isolatoren MnBi₆Te₁₀ av et sterkere og mer pålitelig magnetfelt enn dens antiferromagnetiske forgjenger.
Abstraksjon. Foto: wirestock
«Vi klarte å produsere kvantematerialeMnBi₆Te₁₀ på en slik måte at den blir ferromagnetisk ved en temperatur på 12 Kelvin. Selv om denne temperaturen på -261 °C fortsatt er for lav for datakomponenter, er det et første skritt, forklarer professor Vladimir Khinkov fra Würzburg. Det var hans gruppe som oppdaget at overflaten av materialet har ferromagnetiske egenskaper, som gjør at det kan lede strøm uten tap. Det er bemerkelsesverdig at dens indre del på det tidspunktet ikke har denne egenskapen.
Ikke bare forskningsgruppen ct.qmat prøvde å lage en ferromagnetisk topologisk isolator i laboratoriet. "Etter suksessen med MnBi₂Te₄ begynte forskere over hele verden å søke etter nye kandidater for rollen som magnetiske topologiske isolatorer. I 2019 syntetiserte fire forskjellige grupper MnBi₆Te₁₀, men det var bare i laboratoriet vårt at dette uvanlige materialet viste ferromagnetiske egenskaper,” forklarer Isaeva, nå professor i eksperimentell fysikk ved Universitetet i Amsterdam.
Uorden i atomstrukturen
Når materialer kjemikere fra DresdenIsaevas ledelse fant ut hvordan de skulle produsere krystallinsk materiale, de gjorde en fantastisk oppdagelse. Det viste seg at noen atomer måtte flyttes fra sitt opprinnelige atomlag. Med andre ord, de trengte å endre den naturlige plasseringen i krystallen.
Abstraksjon. Foto: wirestock
"Fordeling av manganatomer over alle lagKrystallen får de omkringliggende atomene til å endre sitt magnetiske moment i samme retning. Magnetisk orden blir smittsom,” forklarer Isaeva. "Atomforstyrrelsen som vi observerer i en krystall anses generelt som destruktiv i kjemi og fysikk. Ordnede atomstrukturer er lettere å beregne og bedre forstått, men de gir ikke alltid det ønskede resultatet, legger Khinkov til. "Det er denne lidelsen som er den kritiske mekanismen som gjør at MnBi6Te10 blir ferromagnetisk," understreker Isaeva.
Hvem gjorde forskningen?
Forskere ct.qmat fra de to universitetene TU Dresden og JMU Würzburg, samt fra Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) i Dresden jobbet sammen om den banebrytende forskningen. Krystallene ble fremstilt av materialkjemikere ledet av Isaeva (TU Dresden). Masseferromagnetismen til prøvene ble senere oppdaget ved IFW, hvor Dr. Jorge I. Fazio utviklet en omfattende teori for å forklare både den uordnede ferromagnetismen til MnBi6Te10 og antiferromagnetiske motstykker. Hinkovs team fra JMU Würzburg utførte målinger av vitale overflater.
Hva er neste?
Forskere jobber for tiden medoppnå ferromagnetisme ved betydelig høyere temperaturer. De har allerede gjort innledende fremgang, og nådd rundt 70 Kelvin (-203,15 °C). Forskere står også overfor oppgaven med å øke ultralave temperaturer der eksotiske kvanteeffekter vises, siden tapsfri strømledning begynner bare ved temperaturer fra 1 til 2 Kelvin (fra -272,15 °C til -271,15 °C).
Les mer:
Biologer oppdager hvordan kreftceller unngår immunsystemet
Nøkkelteorien om kvantefysikk har endelig blitt bevist. Hoved
Navngitte produkter som beskytter hjernen mot demens, og når de skal brukes
På omslaget: illustrasjon, foto starline42k