Magnetiska topologiska isolatorer är en exotisk klass av material som leder
Det mest fantastiska med det nya kvantmaterialet ärdess ferromagnetiska egenskaper uppträder endast när några av atomerna byter plats, vilket skapar oordning. Detaljer om utvecklingen publicerades i tidskriften Advanced Science.
Prekursormaterial
Topologisk isolator med ferromagnetiskegenskaper skapades på basis av ett annat material. Under 2019 gjorde en internationell forskargrupp under ledning av materialkemisten Anna Isaeva, då juniorprofessor vid ct.qmat (Complexity and Topology in Quantum Matter), ett språng genom att tillverka världens första antiferromagnetiska topologiska isolator – mangantellurid-vismut (MnBi₄Te) ).
Detta material har sin egen inremagnetfält, vilket banar väg för nya typer av elektroniska komponenter. De kommer att kunna lagra information med hjälp av magneter och överföra den över en yta utan motstånd. Detta kommer att revolutionera datorer och göra dem mer hållbara och energieffektiva. Sedan fysiker upptäckte MnBi₂Te₄ har forskare runt om i världen aktivt studerat olika aspekter av detta lovande kvantmaterial i ett försök att frigöra dess fulla potential.
Den största skillnaden mellan det nya kvantmaterialet
I ferromagnetiskt material MnBi₆Te₁₀De enskilda manganatomerna är parallella, vilket betyder att alla deras magnetiska moment pekar i samma riktning. Däremot, i dess antiferromagnetiska föregångare, MnBi₂Te₄, är endast de magnetiska momenten i ett enda materialskikt inriktade på detta sätt.
Situationen förändrades av en liten förändring av kemikalienkristallsammansättning. Som ett resultat kännetecknas den topologiska isolatorn MnBi₆Te₁₀ av ett starkare och mer tillförlitligt magnetfält än dess antiferromagnetiska föregångare.
Abstraktion. Foto: wirestock
”Vi lyckades producera kvantmaterialMnBi₆Te₁₀ på ett sådant sätt att den blir ferromagnetisk vid en temperatur på 12 Kelvin. Även om denna temperatur på -261 °C fortfarande är för låg för datorkomponenter är det ett första steg”, förklarar professor Vladimir Khinkov från Würzburg. Det var hans grupp som upptäckte att materialets yta har ferromagnetiska egenskaper, vilket gör att det kan leda ström utan förlust. Det är anmärkningsvärt att dess inre del vid den tidpunkten inte har denna egenskap.
Inte bara forskargruppen ct.qmat försökte skapa en ferromagnetisk topologisk isolator i laboratoriet. "Efter framgången med MnBi₂Te₄ började forskare runt om i världen leta efter nya kandidater för rollen som magnetiska topologiska isolatorer. Under 2019 syntetiserade fyra olika grupper MnBi₆Te₁₀, men det var bara i vårt laboratorium som detta ovanliga material uppvisade ferromagnetiska egenskaper”, förklarar Isaeva, nu professor i experimentell fysik vid universitetet i Amsterdam.
Störning i atomstrukturen
När materialkemister från DresdenIsaevas ledarskap kom på hur man producerar kristallint material, de gjorde en fantastisk upptäckt. Det visade sig att vissa atomer behövde flyttas från sitt ursprungliga atomskikt. Med andra ord behövde de ändra den naturliga platsen i kristallen.
Abstraktion. Foto: wirestock
"Fördelning av manganatomer över alla lagerKristallen får de omgivande atomerna att ändra sitt magnetiska moment i samma riktning. Magnetisk ordning blir smittsam”, förklarar Isaeva. "Den atomära störningen som vi observerar i en kristall anses allmänt vara destruktiv inom kemi och fysik. Ordnade atomstrukturer är lättare att beräkna och bättre förstådda, men de ger inte alltid det önskade resultatet”, tillägger Khinkov. "Det är denna störning som är den kritiska mekanismen på grund av vilken MnBi6Te10 blir ferromagnetisk", betonar Isaeva.
Vem gjorde forskningen?
Forskare ct.qmat från de två universiteten TU Dresden och JMU Würzburg, samt från Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) i Dresden arbetade tillsammans med den banbrytande forskningen. Kristallerna framställdes av materialkemister under ledning av Isaeva (TU Dresden). Massan av ferromagnetism i proverna upptäcktes senare vid IFW, där Dr. Jorge I. Fazio utvecklade en omfattande teori för att förklara både den oordnade ferromagnetismen hos MnBi6Te10 och motsvarigheterna mot ferromagnetiska egenskaper. Hinkovs team från JMU Würzburg utförde mätningar av vitala ytor.
Vad är nästa?
Forskare arbetar för närvarande meduppnå ferromagnetism vid betydligt högre temperaturer. De har redan gjort inledande framsteg och nått cirka 70 Kelvin (-203,15 °C). Forskare står också inför uppgiften att öka ultralåga temperaturer vid vilka exotiska kvanteffekter uppträder, eftersom förlustfri strömledning börjar endast vid temperaturer från 1 till 2 Kelvin (från -272,15 °C till -271,15 °C).
Läs mer:
Biologer upptäcker hur cancerceller undviker immunförsvaret
Nyckelteorin om kvantfysik har äntligen bevisats. Main
Namngivna produkter som skyddar hjärnan från demens, och när de ska användas
På omslaget: illustration, foto starline42k