Magnetyczne izolatory topologiczne to egzotyczna klasa materiałów przewodzących
Najbardziej niesamowitą rzeczą w nowym materiale kwantowym jest to, żejego właściwości ferromagnetyczne ujawniają się dopiero wtedy, gdy niektóre atomy zamienią się miejscami, wprowadzając nieporządek. Szczegóły rozwoju opublikowano w czasopiśmie Advanced Science.
Materiał prekursorowy
Izolator topologiczny z ferromagnetykiemwłaściwości zostały stworzone na bazie innego materiału. W 2019 roku międzynarodowa grupa badawcza kierowana przez chemik materiałowy Annę Isaevę, wówczas młodszego profesora w ct.qmat (Złożoność i topologia w materii kwantowej), zrobiła furorę, produkując pierwszy na świecie antyferromagnetyczny izolator topologiczny — tellurek manganu i bizmut (MnBi₂Te₄ ).
Materiał ten ma swoje wnętrzepole magnetyczne, torując drogę nowym typom komponentów elektronicznych. Będą w stanie przechowywać informacje za pomocą magnesów i przesyłać je po powierzchni bez żadnego oporu. Zrewolucjonizuje to komputery, czyniąc je bardziej zrównoważonymi i energooszczędnymi. Odkąd fizycy odkryli MnBi₂Te₄, badacze na całym świecie aktywnie badają różne aspekty tego obiecującego materiału kwantowego, próbując uwolnić jego pełny potencjał.
Główna różnica między nowym materiałem kwantowym
W materiale ferromagnetycznym MnBi₆Te₁₀Poszczególne atomy manganu są ułożone równolegle, co oznacza, że wszystkie ich momenty magnetyczne są skierowane w tym samym kierunku. Natomiast w swoim antyferromagnetycznym poprzedniku, MnBi₂Te₄, w ten sposób wyrównane są tylko momenty magnetyczne w obrębie pojedynczej warstwy materiału.
Sytuację zmieniła niewielka zmiana substancji chemicznejskład kryształu. Dzięki temu izolator topologiczny MnBi₆Te₁₀ wyróżnia się silniejszym i bardziej niezawodnym polem magnetycznym niż jego antyferromagnetyczny poprzednik.
Abstrakcja. Zdjęcie: drut
„Udało nam się wyprodukować materiał kwantowyMnBi₆Te₁₀ w taki sposób, że w temperaturze 12 kelwinów staje się ferromagnetyczny. Chociaż ta temperatura -261°C jest wciąż zbyt niska dla podzespołów komputera, jest to pierwszy krok” – wyjaśnia profesor Władimir Khinkow z Würzburga. To jego grupa odkryła, że powierzchnia materiału ma właściwości ferromagnetyczne, dzięki czemu może przewodzić prąd bez żadnych strat. Warto zauważyć, że w tamtym czasie jego wewnętrzna część nie posiadała tej cechy.
Nie tylko grupa badawcza ct.qmat próbował stworzyć w laboratorium ferromagnetyczny izolator topologiczny. „Po sukcesie MnBi₂Te₄ naukowcy na całym świecie rozpoczęli poszukiwania nowych kandydatów do roli magnetycznych izolatorów topologicznych. W 2019 roku cztery różne grupy zsyntetyzowały MnBi₆Te₁₀, ale dopiero w naszym laboratorium ten niezwykły materiał wykazał właściwości ferromagnetyczne” – wyjaśnia Isaeva, obecnie profesor fizyki eksperymentalnej na Uniwersytecie w Amsterdamie.
Zaburzenie struktury atomowej
Kiedy chemicy materiałów z DreznaKierownictwo Isaevy odkryło, jak wytworzyć materiał krystaliczny, dokonało niesamowitego odkrycia. Okazało się, że niektóre atomy trzeba było przenieść z ich pierwotnej warstwy atomowej. Innymi słowy, musieli zmienić naturalne położenie w krysztale.
Abstrakcja. Zdjęcie: drut
„Rozmieszczenie atomów manganu we wszystkich warstwachKryształ powoduje, że otaczające atomy zmieniają swój moment magnetyczny w tym samym kierunku. Porządek magnetyczny staje się zaraźliwy” – wyjaśnia Isaeva. „Nieporządek atomowy, który obserwujemy w krysztale, jest powszechnie uważany za destrukcyjny w chemii i fizyce. Uporządkowane struktury atomowe są łatwiejsze do obliczenia i lepiej poznane, ale nie zawsze dają pożądany rezultat” – dodaje Khinkov. „To właśnie to zaburzenie jest kluczowym mechanizmem, dzięki któremu MnBi6Te10 staje się ferromagnetyczny” – podkreśla Isaeva.
Kto zrobił badania?
Naukowcy ct.qmat z dwóch uniwersytetów TU Dresden i JMU Würzburg, a także z Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) w Dreźnie współpracowali nad przełomowymi badaniami. Kryształy przygotowali chemicy zajmujący się materiałami pod przewodnictwem Isaevy (TU Dresden). Ferromagnetyzm próbek w masie odkryto następnie w IFW, gdzie dr Jorge I. Fazio opracował kompleksową teorię wyjaśniającą zarówno nieuporządkowany ferromagnetyzm MnBi6Te10, jak i jego antyferromagnetyczne odpowiedniki. Zespół Hinkova z JMU Würzburg przeprowadził pomiary powierzchni życiowych.
Co dalej?
Naukowcy obecnie nad tym pracująosiągnięcie ferromagnetyzmu w znacznie wyższych temperaturach. Poczynili już wstępne postępy, osiągając temperaturę około 70 kelwinów (-203,15°C). Przed naukowcami stoi także zadanie zwiększenia ultraniskich temperatur, w których pojawiają się egzotyczne efekty kwantowe, gdyż bezstratne przewodzenie prądu rozpoczyna się dopiero w temperaturach od 1 do 2 Kelvinów (od -272,15°C do -271,15°C).
Czytaj więcej:
Biolodzy odkrywają, w jaki sposób komórki rakowe wymykają się układowi odpornościowemu
Kluczowa teoria fizyki kwantowej została w końcu udowodniona. Główny
Nazwane produkty, które chronią mózg przed demencją i kiedy ich używać
Na okładce: ilustracja, zdjęcie starline42k