ฉนวนทอพอโลยีแบบแม่เหล็กเป็นวัสดุประเภทแปลกใหม่ที่นำไฟฟ้า
สิ่งที่น่าทึ่งที่สุดเกี่ยวกับวัสดุควอนตัมใหม่ก็คือคุณสมบัติเฟอร์โรแมกเนติกของมันจะปรากฏขึ้นก็ต่อเมื่ออะตอมบางอะตอมเปลี่ยนตำแหน่งทำให้เกิดความผิดปกติ รายละเอียดเกี่ยวกับการพัฒนาได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Advanced Science
วัสดุตั้งต้น
ฉนวนโทโพโลยีพร้อมเฟอร์โรแมกเนติกคุณสมบัติถูกสร้างขึ้นบนพื้นฐานของวัสดุอื่น ในปี 2019 กลุ่มวิจัยระดับนานาชาติที่นำโดยนักเคมีด้านวัสดุ Anna Isaeva ซึ่งขณะนั้นเป็นศาสตราจารย์รุ่นน้องที่ ct.qmat (ความซับซ้อนและโทโพโลยีในควอนตัมสสาร) สร้างความฮือฮาด้วยการผลิตฉนวนโทโพโลยีเชิงทอพอโลยีต้านเฟอโรแมกเนติกตัวแรกของโลก นั่นคือ แมงกานีสเทลลูไรด์ -บิสมัท (MnBi₂Te₄) .
วัสดุนี้มีภายในของตัวเองสนามแม่เหล็ก ปูทางไปสู่ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์รูปแบบใหม่ พวกเขาจะสามารถจัดเก็บข้อมูลโดยใช้แม่เหล็กและส่งผ่านพื้นผิวโดยไม่มีการต้านทานใดๆ สิ่งนี้จะปฏิวัติคอมพิวเตอร์ ทำให้มีความยั่งยืนและประหยัดพลังงานมากขึ้น นับตั้งแต่นักฟิสิกส์ค้นพบ MnBi₂Te₄ นักวิจัยทั่วโลกก็ได้ศึกษาแง่มุมต่างๆ ของวัสดุควอนตัมที่มีศักยภาพนี้อย่างแข็งขันเพื่อพยายามปลดล็อกศักยภาพสูงสุดของมัน
ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างวัสดุควอนตัมใหม่
ในวัสดุเฟอร์โรแมกเนติก MnBi₆Te₁₀อะตอมของแมงกานีสแต่ละตัวจะเรียงขนานกัน ซึ่งหมายความว่าโมเมนต์แม่เหล็กทั้งหมดจะชี้ไปในทิศทางเดียวกัน ในทางตรงกันข้าม MnBi₂Te₄ ซึ่งเป็นรุ่นต้านแม่เหล็กไฟฟ้ารุ่นก่อนหน้า มีเพียงโมเมนต์แม่เหล็กภายในวัสดุชั้นเดียวเท่านั้นที่ถูกจัดเรียงในลักษณะนี้
สถานการณ์เปลี่ยนไปจากการเปลี่ยนแปลงทางเคมีเล็กน้อยองค์ประกอบของคริสตัล ด้วยเหตุนี้ ฉนวนทอพอโลยี MnBi₆Te₁₀ จึงมีความโดดเด่นด้วยสนามแม่เหล็กที่แข็งแกร่งและเชื่อถือได้มากกว่ารุ่นต้านคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ารุ่นก่อน
นามธรรม ภาพถ่าย: “Wirestock”
“เราสามารถผลิตวัสดุควอนตัมได้MnBi₆Te₁₀ ในลักษณะที่จะกลายเป็นเฟอร์โรแมกเนติกที่อุณหภูมิ 12 เคลวิน แม้ว่าอุณหภูมิ -261 °C นี้ยังคงต่ำเกินไปสำหรับส่วนประกอบคอมพิวเตอร์ แต่ก็เป็นก้าวแรก” ศาสตราจารย์ Vladimir Khinkov จาก Würzburg อธิบาย กลุ่มของเขาเองที่ค้นพบว่าพื้นผิวของวัสดุมีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งช่วยให้นำกระแสไฟฟ้าได้โดยไม่สูญเสียใดๆ เป็นที่น่าสังเกตว่าในขณะนั้นชิ้นส่วนภายในไม่มีลักษณะนี้
ไม่ใช่เฉพาะกลุ่มวิจัยเท่านั้นqmat พยายามสร้างฉนวนโทโพโลยีแบบเฟอร์โรแมกเนติกในห้องปฏิบัติการ “หลังจากความสำเร็จของ MnBi₂Te₄ นักวิจัยทั่วโลกเริ่มค้นหาผู้สมัครใหม่สำหรับบทบาทของฉนวนทอพอโลยีแม่เหล็ก ในปี 2019 มีสี่กลุ่มที่แตกต่างกันสังเคราะห์ MnBi₆Te₁₀ แต่เฉพาะในห้องปฏิบัติการของเราเท่านั้นที่วัสดุที่ผิดปกตินี้แสดงคุณสมบัติของเฟอร์โรแมกเนติก” Isaeva ซึ่งปัจจุบันเป็นศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ทดลองที่มหาวิทยาลัยอัมสเตอร์ดัมอธิบาย
ความผิดปกติในโครงสร้างอะตอม
เมื่อนักเคมีวัสดุจากเดรสเดนความเป็นผู้นำของ Isaeva คิดหาวิธีการผลิตวัสดุที่เป็นผลึก พวกเขาค้นพบที่น่าอัศจรรย์ ปรากฎว่าจำเป็นต้องย้ายอะตอมบางส่วนออกจากชั้นอะตอมเดิม กล่าวอีกนัยหนึ่ง พวกเขาจำเป็นต้องเปลี่ยนตำแหน่งตามธรรมชาติในคริสตัล
นามธรรม ภาพถ่าย: “Wirestock”
“การกระจายตัวของอะตอมแมงกานีสทั่วทุกชั้นคริสตัลทำให้อะตอมที่อยู่รอบๆ เปลี่ยนโมเมนต์แม่เหล็กไปในทิศทางเดียวกัน คำสั่งทางแม่เหล็กกลายเป็นเรื่องติดต่อ” Isaeva อธิบาย “ความผิดปกติของอะตอมที่เราสังเกตเห็นในคริสตัลโดยทั่วไปถือเป็นการทำลายล้างในวิชาเคมีและฟิสิกส์ โครงสร้างอะตอมที่เรียงลำดับนั้นง่ายต่อการคำนวณและเข้าใจได้ดีกว่า แต่ก็ไม่ได้ให้ผลลัพธ์ที่ต้องการเสมอไป” Khinkov กล่าวเสริม “ความผิดปกตินี้เป็นกลไกสำคัญที่ทำให้ MnBi6Te10 กลายเป็นเฟอร์โรแมกเนติก” Isaeva เน้นย้ำ
ใครเป็นผู้ทำการวิจัย?
นักวิทยาศาสตร์กะรัตqmat จากมหาวิทยาลัยทั้งสองแห่ง TU Dresden และ JMU Würzburg รวมถึงจาก Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) ในเมืองเดรสเดนได้ทำงานร่วมกันในการวิจัยที่ก้าวล้ำนี้ ผลึกถูกเตรียมโดยนักเคมีวัสดุที่นำโดย Isaeva (TU Dresden) ในเวลาต่อมา เฟอร์ริกแม่เหล็กจำนวนมากของตัวอย่างถูกค้นพบที่ IFW ซึ่งดร. Jorge I. Fazio ได้พัฒนาทฤษฎีที่ครอบคลุมเพื่ออธิบายทั้งเฟอร์ริกแม่เหล็กที่ไม่เป็นระเบียบของ MnBi6Te10 และคู่ต้านแม่เหล็กไฟฟ้าของมัน ทีมงานของ Hinkov จาก JMU Würzburg ดำเนินการตรวจวัดพื้นผิวที่สำคัญ
ถัดไปคืออะไร
นักวิจัยกำลังทำงานอยู่บรรลุภาวะแม่เหล็กไฟฟ้าที่อุณหภูมิสูงขึ้นอย่างมาก พวกเขาได้ก้าวหน้าไปในช่วงแรกแล้ว โดยสูงถึงประมาณ 70 เคลวิน (-203.15 °C) นักวิทยาศาสตร์ยังต้องเผชิญกับภารกิจในการเพิ่มอุณหภูมิต่ำมากจนเกิดเอฟเฟกต์ควอนตัมที่แปลกใหม่ เนื่องจากการนำกระแสแบบไม่สูญเสียเริ่มต้นที่อุณหภูมิตั้งแต่ 1 ถึง 2 เคลวินเท่านั้น (จาก −272.15 °C ถึง −271.15 °C)
อ่านเพิ่มเติม:
นักชีววิทยาค้นพบวิธีที่เซลล์มะเร็งหลบเลี่ยงระบบภูมิคุ้มกัน
ในที่สุดทฤษฎีสำคัญของฟิสิกส์ควอนตัมได้รับการพิสูจน์แล้ว หลัก
ชื่อผลิตภัณฑ์ที่ปกป้องสมองจากภาวะสมองเสื่อมและควรใช้เมื่อใด
บนหน้าปก: ภาพประกอบ, ภาพถ่าย starline42k