Isoladores topológicos magnéticos são uma classe exótica de materiais que conduzem
A coisa mais surpreendente sobre o novo material quântico ésuas propriedades ferromagnéticas aparecem apenas quando alguns átomos mudam de lugar, introduzindo desordem. Detalhes sobre o desenvolvimento foram publicados na revista Advanced Science.
material precursor
Isolador topológico com ferromagnéticopropriedades foram criadas com base em outro material. Em 2019, um grupo de pesquisa internacional liderado pela química de materiais Anna Isaeva, então professora júnior do ct.qmat (Complexidade e Topologia em Matéria Quântica), causou impacto ao produzir o primeiro isolante topológico antiferromagnético do mundo - telureto de manganês -bismuto (MnBi₂Te₄) .
Este material possui seu própriocampo magnético, abrindo caminho para novos tipos de componentes eletrônicos. Eles serão capazes de armazenar informações por meio de ímãs e transmiti-las através de uma superfície sem qualquer resistência. Isto irá revolucionar os computadores, tornando-os mais sustentáveis e eficientes em termos energéticos. Desde que os físicos descobriram o MnBi₂Te₄, investigadores de todo o mundo têm estudado ativamente vários aspectos deste material quântico promissor, num esforço para desbloquear todo o seu potencial.
A principal diferença entre o novo material quântico
Em material ferromagnético MnBi₆Te₁₀Os átomos individuais de manganês estão alinhados em paralelo, o que significa que todos os seus momentos magnéticos apontam na mesma direção. Em contraste, no seu antecessor antiferromagnético, MnBi₂Te₄, apenas os momentos magnéticos dentro de uma única camada de material estão alinhados desta forma.
A situação foi alterada por uma pequena mudança na químicacomposição cristalina. Como resultado, o isolante topológico MnBi₆Te₁₀ se distingue por um campo magnético mais forte e confiável do que seu antecessor antiferromagnético.
Abstração. Foto: wirestock
“Conseguimos produzir material quânticoMnBi₆Te₁₀ de tal forma que se torna ferromagnético a uma temperatura de 12 Kelvin. Embora esta temperatura de -261 °C ainda seja demasiado baixa para componentes de computador, é um primeiro passo”, explica o professor Vladimir Khinkov de Würzburg. Foi seu grupo quem descobriu que a superfície do material possui propriedades ferromagnéticas, o que permite conduzir corrente sem perdas. Vale ressaltar que na época sua parte interna não possui essa característica.
Não apenas o grupo de pesquisa ct.qmat tentou criar um isolador topológico ferromagnético em laboratório. “Após o sucesso do MnBi₂Te₄, pesquisadores de todo o mundo começaram a buscar novos candidatos para o papel de isolantes topológicos magnéticos. Em 2019, quatro grupos diferentes sintetizaram MnBi₆Te₁₀, mas foi apenas em nosso laboratório que esse material incomum exibiu propriedades ferromagnéticas”, explica Isaeva, hoje professor de física experimental na Universidade de Amsterdã.
Desordem na estrutura atômica
Quando os químicos de materiais de DresdenA liderança de Isaeva descobriu como produzir material cristalino e fez uma descoberta incrível. Descobriu-se que alguns átomos precisavam ser movidos de sua camada atômica original. Em outras palavras, eles precisavam mudar a localização natural do cristal.
Abstração. Foto: wirestock
“Distribuição de átomos de manganês em todas as camadasO cristal faz com que os átomos circundantes mudem seu momento magnético na mesma direção. A ordem magnética torna-se contagiosa”, explica Isaeva. “A desordem atômica que observamos em um cristal é geralmente considerada destrutiva na química e na física. Estruturas atômicas ordenadas são mais fáceis de calcular e melhor compreendidas, mas nem sempre dão o resultado desejado”, acrescenta Khinkov. “É esse distúrbio o mecanismo crítico pelo qual o MnBi6Te10 se torna ferromagnético”, enfatiza Isaeva.
Quem fez a pesquisa?
Cientistas ct.qmat das duas universidades TU Dresden e JMU Würzburg, bem como do Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) em Dresden trabalharam juntos na pesquisa inovadora. Os cristais foram preparados por químicos de materiais liderados por Isaeva (TU Dresden). O ferromagnetismo em massa das amostras foi posteriormente descoberto no IFW, onde o Dr. Jorge I. Fazio desenvolveu uma teoria abrangente para explicar tanto o ferromagnetismo desordenado de MnBi6Te10 quanto seus equivalentes antiferromagnéticos. A equipe de Hinkov da JMU Würzburg realizou medições de superfícies vitais.
O que vem a seguir?
Os pesquisadores estão atualmente trabalhandoalcançar ferromagnetismo em temperaturas significativamente mais altas. Eles já fizeram progressos iniciais, atingindo cerca de 70 Kelvin (-203,15 °C). Os cientistas também enfrentam a tarefa de aumentar temperaturas ultrabaixas nas quais aparecem efeitos quânticos exóticos, uma vez que a condução de corrente sem perdas começa apenas em temperaturas de 1 a 2 Kelvin (de -272,15 °C a -271,15 °C).
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Na capa: ilustração, foto starline42k