Magnetické topologické izolátory sú exotickou triedou materiálov, ktoré vedú
Najúžasnejšia vec na novom kvantovom materiáli jejeho feromagnetické vlastnosti sa prejavia iba vtedy, keď niektoré z atómov zmenia svoje miesto, čím dôjde k poruche. Podrobnosti o vývoji zverejnil časopis Advanced Science.
Prekurzorový materiál
Topologický izolátor s feromagnetickýmvlastnosti boli vytvorené na základe iného materiálu. V roku 2019 medzinárodná výskumná skupina vedená materiálovou chemičkou Annou Isaevovou, vtedajšou mladšou profesorkou na ct.qmat (zložitosť a topológia v kvantovej hmote), urobila rozruch tým, že vyrobila prvý antiferomagnetický topologický izolátor na svete – telurid mangánu – bizmut (MnBi₂Te₄) .
Tento materiál má svoje vlastné vnútromagnetické pole, čím sa otvára cesta pre nové typy elektronických komponentov. Budú môcť ukladať informácie pomocou magnetov a prenášať ich po povrchu bez akéhokoľvek odporu. To spôsobí revolúciu v počítačoch, vďaka čomu budú udržateľnejšie a energeticky efektívnejšie. Odkedy fyzici objavili MnBi₂Te₄, výskumníci z celého sveta aktívne študovali rôzne aspekty tohto sľubného kvantového materiálu v snahe odhaliť jeho plný potenciál.
Hlavný rozdiel medzi novým kvantovým materiálom
Vo feromagnetickom materiáli MnBi₆Te₁0Jednotlivé atómy mangánu sú zoradené paralelne, čo znamená, že všetky ich magnetické momenty smerujú rovnakým smerom. Na rozdiel od toho, v jeho antiferomagnetickom predchodcovi, MnBi₂Te₄, sú len magnetické momenty v jednej vrstve materiálu zarovnané týmto spôsobom.
Situáciu zmenila malá zmena v chemikáliikryštálové zloženie. Výsledkom je, že topologický izolátor MnBi₆Te₁0 sa vyznačuje silnejším a spoľahlivejším magnetickým poľom ako jeho antiferomagnetický predchodca.
Abstrakcia. Foto: drôtený materiál
„Podarilo sa nám vyrobiť kvantum materiáluMnBi₆Te₁0 takým spôsobom, že sa stáva feromagnetickým pri teplote 12 Kelvinov. Aj keď je táto teplota -261 °C stále príliš nízka pre počítačové komponenty, je to prvý krok,“ vysvetľuje profesor Vladimir Khinkov z Würzburgu. Práve jeho skupina zistila, že povrch materiálu má feromagnetické vlastnosti, čo mu umožňuje viesť prúd bez akýchkoľvek strát. Je pozoruhodné, že v tom čase jeho vnútorná časť nemala túto vlastnosť.
Nie len výskumná skupina ct.qmat sa pokúsil v laboratóriu vytvoriť feromagnetický topologický izolátor. „Po úspechu MnBi₂Te₄ začali výskumníci z celého sveta hľadať nových kandidátov na úlohu magnetických topologických izolátorov. V roku 2019 štyri rôzne skupiny syntetizovali MnBi₆Te₁₀, ale iba v našom laboratóriu tento nezvyčajný materiál vykazoval feromagnetické vlastnosti,“ vysvetľuje Isaeva, teraz profesorka experimentálnej fyziky na Amsterdamskej univerzite.
Porucha v štruktúre atómu
Keď materiáloví chemici z DrážďanIsaevovo vedenie prišlo na to, ako vyrobiť kryštalický materiál, urobili úžasný objav. Ukázalo sa, že niektoré atómy bolo potrebné presunúť z ich pôvodnej atómovej vrstvy. Inými slovami, potrebovali zmeniť prirodzené umiestnenie v kryštáli.
Abstrakcia. Foto: drôtený materiál
„Distribúcia atómov mangánu vo všetkých vrstváchKryštál spôsobuje, že okolité atómy menia svoj magnetický moment rovnakým smerom. Magnetický poriadok sa stáva nákazlivým,“ vysvetľuje Isaeva. „Atómová porucha, ktorú pozorujeme v kryštáli, sa v chémii a fyzike všeobecne považuje za deštruktívnu. Usporiadané atómové štruktúry sa dajú ľahšie vypočítať a lepšie pochopiť, no nie vždy dávajú požadovaný výsledok,“ dodáva Khinkov. „Práve táto porucha je kritickým mechanizmom, vďaka ktorému sa MnBi6Te10 stáva feromagnetickým,“ zdôrazňuje Isaeva.
Kto robil výskum?
Vedci ct.qmat z dvoch univerzít TU Dresden a JMU Würzburg, ako aj z Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) v Drážďanoch spolupracovali na prelomovom výskume. Kryštály pripravili materiáloví chemici pod vedením Isaeva (TU Dresden). Veľký feromagnetizmus vzoriek bol následne objavený na IFW, kde Dr. Jorge I. Fazio vyvinul komplexnú teóriu na vysvetlenie neusporiadaného feromagnetizmu MnBi6Te10 a jeho antiferomagnetických náprotivkov. Hinkov tím z JMU Würzburg vykonal merania životne dôležitých povrchov.
Čo bude ďalej?
Výskumníci v súčasnosti pracujú nadosiahnutie feromagnetizmu pri výrazne vyšších teplotách. Počiatočný pokrok už dosiahli a dosiahli približne 70 Kelvinov (-203,15 °C). Vedci tiež stoja pred úlohou zvýšiť ultranízke teploty, pri ktorých sa objavujú exotické kvantové efekty, keďže bezstratové vedenie prúdu začína až pri teplotách od 1 do 2 Kelvinov (od -272,15 °C do -271,15 °C).
Čítaj viac:
Biológovia zisťujú, ako rakovinové bunky unikajú imunitnému systému
Kľúčová teória kvantovej fyziky bola konečne dokázaná. Hlavná
Vymenované produkty, ktoré chránia mozog pred demenciou, a kedy ich použiť
Na obálke: ilustrácia, fotografia starline42k