Магнітні топологічні ізолятори є екзотичним класом матеріалів, які проводять
Найдивовижніше в новому квантовому матеріалі.його феромагнітні властивості виявляються лише тоді, коли деякі атоми змінюються місцями, вносячи безладдя. Подробиці про розробку опубліковані в журналі Advanced Science.
Матеріал-попередник
Топологічний ізолятор з феромагнітнимивластивостями створили на основі іншого матеріалу. У 2019 році міжнародна дослідницька група під керівництвом хіміка-матеріалознавця Ганни Ісаєвої, у час молодшого професора ct.qmat (Complexity and Topology in Quantum Matter), зробила фурор, виготовивши перший в телурид марганцю -вісмуту (MnBi₂Te₄).
Цей матеріал має власний внутрішніймагнітне поле, прокладаючи шлях для нових видів електронних компонентів. Вони зможуть зберігати інформацію за допомогою магнітів і передавати її за поверхнею без будь-якого опору. Це зробить революцію в комп'ютерах, зробивши їх більш стійкими та енергоефективними. З того часу як фізики відкрили MnBi₂Te₄, дослідники по всьому світу активно вивчають різні аспекти цього багатообіцяючого квантового матеріалу, прагнучи повністю розкрити його потенціал.
Головна відмінність нового квантового матеріалу
У феромагнітному матеріалі MnBi₆Te₁₀окремі атоми марганцю вирівняні паралельно, а це означає, що всі їх магнітні моменти спрямовані в одному напрямку. Навпаки, в його антиферомагнітному попереднику, MnBi₂Te₄, тільки магнітні моменти в межах одного шару матеріалу вирівняні таким чином.
Ситуацію змінила невелика зміна хімічноїскладу кристала В підсумку, топологічний ізолятор MnBi₆Te₁₀ відрізняється сильнішим і надійнішим магнітним полем, ніж його антиферомагнітний попередник.
Анотація. Фото: wirestock
«Нам вдалося виготовити квантовий матеріалMnBi₆Te₁₀ таким чином, що він стає феромагнітним при температурі 12 Кельвінів. Хоча ця температура -261 ° C все ще занадто низька для комп'ютерних компонентів, це перший крок », - пояснює професор Володимир Хіньков з Вюрцбурга. Саме його група виявила, що поверхня матеріалу має феромагнітні властивості, що дозволяє проводити струм без будь-яких втрат. Примітно, що в час його внутрішня частина не володіє цією характеристикою.
Не тільки дослідницька група ct.qmat намагалася створити феромагнітний топологічний ізолятор в лабораторії. «Після успіху MnBi₂Te₄ дослідники по всьому світу почали пошук нових кандидатів на роль магнітних топологічних ізоляторів. У 2019 році чотири різні групи синтезували MnBi₆Te₁₀, але тільки в нашій лабораторії цей незвичайний матеріал виявив феромагнітні властивості», пояснює Ісаєва, нині професор експериментальної фізики Амстердам.
Безлад в атомній структурі
Коли хіміки-матеріалознавці з Дрездена підКерівництвом Ісаєвої з'ясували, як виробляти кристалічний матеріал, вони зробили дивовижне відкриття. Виявилося, що деякі атоми потрібно було перемістити з первісного атомного шару. Іншими словами, їм треба було поміняти природне розташування в кристалі.
Анотація. Фото: wirestock
«Розподіл атомів марганцю по всіх шарахкристала змушує навколишні атоми змінювати магнітний момент в тому напрямку. Магнітний порядок стає заразним», - пояснює Ісаєва. «Атомний безлад, який ми спостерігаємо в кристалі, зазвичай вважається руйнівним в хімії та фізиці. Упорядковані атомні структури легше розрахувати і краще зрозуміти, але вони не завжди дають бажаний результат», - додає Хінков. «Саме це безладдя є тим критичним механізмом, завдяки якому MnBi6Te10 стає феромагнітним», — наголошує Ісаєва.
Хто проводив дослідження?
Вчені ct.qmat з двох університетів TU Dresden і JMU Würzburg, а також з Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) у Дрезден разом працювали над новаторським дослідженням. Кристали приготували хіміки-матеріалознавці під керівництвом Ісаєвої (TU Dresden). Згодом об'ємний феромагнетизм зразків виявили в IFW, де доктор Хорхе І. Фасіо розробив всеосяжну теорію, яка пояснювала як феромагнетизм MnBi6Te10, що характеризується безладом, так і антиферомагнітні аналоги. Команда Хінкова з JMU Würzburg провела вимірювання життєво важливих поверхонь.
Що далі?
В даний час дослідники працюють наддосягненням феромагнетизму при значно вищих температурах. Вони вже досягли початкового прогресу, досягнувши близько 70 Кельвінів (-203,15 ° C). Також перед вченими стоїть завдання збільшити наднизькі температури, при яких виявляються екзотичні квантові ефекти, оскільки провідність струму без втрат починається тільки при температурі від 1 до 2 Кельвінів (від −272,15 °C до −271).
Читати далі:
Біологи дізналися, як ракові клітини вислизають від імунної системи
Ключову теорію квантової фізики нарешті довели. Головне
Названі продукти, які захищають мозок від деменції, і коли їх треба вживати
На обкладинці: ілюстрація, фото starline42k