Første iboende magnetiske topologiske isolator opdaget

De såkaldte topologiske isolatorer er de materialer, der er isolatorer i bulk, dvs. dem, der ikke tillader elektriske strømme i deres volumen, men det er ledere på deres overflader. I modsætning til de sædvanlige dirigenter, det er, metaller, den elektriske strøm, der cirkulerer i en topologisk isolator, lider ikke noget energitab. Denne ejendom åbner store muligheder for anvendelse inden for elektronik, da det ville muliggøre fremstilling af mere effektive, hurtigere og lavt energiforbrug enheder. Dette er et mål, der er lige så ønskeligt, som det er nødvendigt i det nuværende scenarie med hurtig fremgang i energiefterspørgslen på verdensplan, som truer vores miljø. Netop derfor opdagelsen af ​​topologiske isolatorer for omkring et årti siden forårsagede et globalt forskningsboom inden for nanoteknologi og fysik af kondenseret stof.

Med teknologiske anvendelser i tankerne, for eksempel inden for informationsteknologi, en af ​​udfordringerne i disse år med intens forskning har været skabelsen af ​​en magnetisk topologisk isolator. Indtil nu, magnetiske topologiske isolatorer var kun blevet skabt ad den såkaldte ydre vej, som består af doping af ikke-magnetiske topologiske isolatorer med magnetiske atomer. Imidlertid, takket være indsatsen fra en gruppe forskere fra Materials Physics Center (CFM, CSIC-UPV/EHU fællescenter), Donostia International Physics Center (DIPC) og Universitetet i Baskerlandet (UPV/EHU), det er nu muligt at dyrke en iboende magnetisk topologisk isolator, det er, en, der har magnetiske egenskaber af sin egen natur.

Holdet, der inkluderer DIPC-forskere Mikhail Otrokov (CFM Ikerbasque Research Fellow), Evgueni Chulkov (UPV/EHU, Euskadi Research Prize 2019), María Blanco Rey (UPV/EHU) og Pedro M. Echenique (UPV/EHU, DIPC formand), har teoretisk forudsagt den første iboende magnetiske topologiske isolator, med kemisk formel MnBi ₂ Te ₄ . Nøglen til succesen med denne forudsigelse har været den enorme mængde erfaring, som denne gruppe af videnskabsmænd har inden for topologiske isolatorer, magnetisme og materialevidenskab generelt. Ikerbaskiske stipendiat og leder af denne forskning, Mikhail Otrokov, udtaler, at "tidligere arbejde fra forskellige tilgange førte os til den konklusion, at den iboende rute var den eneste mulige i dag. vi rettede vores bestræbelser på at finde en iboende magnetisk topologisk isolator baseret på vores tidligere erfaring. Takket være det, vi vidste, hvilken krystallinsk struktur og atomsammensætning et sådant materiale skulle have."

Donostia (Baskerlandet, Spanien) er ikke kun stedet, hvor den teoretiske forudsigelse af denne første magnetiske topologiske isolator er blevet udført, men det har også været basislejren, hvorfra dens eksperimentelle bekræftelse er blevet koordineret. Dette arbejde har involveret eksperter på forskellige områder, bl. fra førende forskningscentre i Rusland, Aserbajdsjan, Tyskland, Østrig, Japan, Italien og USA. Resultaterne af denne undersøgelse bliver offentliggjort i denne uge i det prestigefyldte tidsskrift Natur . Otrokov har forklaret, at til eksperimentel bekræftelse, det første trin var syntesen af ​​de sammensatte krystaller af de kemiske synteseeksperter. Når først det er syntetiseret, prøverne var genstand for en lang række karakteriseringsforsøg – strukturelle, magnetiske, elektronisk, af transport, af atomsammensætning, osv. – indtil de forudsagte karakteristika blev observeret og verificeret.

Resultaterne af undersøgelsen, som allerede var blevet formidlet gennem en open access-server og foredrag leveret af forfatterne på internationale konferencer, er blevet godt modtaget af det internationale videnskabelige samfund. I øjeblikket, MnBi ₂ Te ₄ og andre materialer baseret på det studeres i flere forskningscentre, dem i USA og Kina, der viser den mest intense aktivitet.

"MnBi ₂ Te ₄ , udover at være en iboende magnetisk topologisk isolator, har vist sig at være antiferromagnetisk, ligesom vi havde beregnet, Blanco fortæller os. Antiferromagnetisme består af en magnetisk orden på atomær skala, sådan at materialet mangler nettomagnetisering. Som resultat, disse materialer er meget mere robuste over for forstyrrelser fra magneter.

Denne krystal består af mangan (Mn), Bismuth (Bi) og Tellur (Te) har et stort potentiale både på et fundamentalt og et teknologisk niveau. Den er ekstremt rig på eksotiske egenskaber, for eksempel, såsom de forskellige Hall-effekter, inklusive de kvante, hvoraf nogle bruges til kalibrering af fysiske konstanter på grund af dens exceptionelle præcision. Ud over, MnBi ₂ Te ₄ kan bruges til at skabe den såkaldte Majorana fermion. Dette er en slags partikel, en kvasipartikel for at være nøjagtig, der er blevet betragtet som hjørnestenen i kvanteberegning.

Ligeledes, MnBi ₂ Te ₄ er det første iboende materiale, for hvilket der forudsiges en elektromagnetisk reaktion, der ligner den for en axion. En axion er en hypotetisk partikel postuleret inden for rammerne af kvantekromodynamikken, og det er en god kandidat til at løse problemet med mørkt stof. Det er grunden til, at der er mange eksperimenter, der netop har til formål at detektere signaler om axion-type adfærd i familien af ​​denne forbindelse.

Med hensyn til de praktiske anvendelser, flere enheder baseret på magnetiske topologiske isolatorer er allerede blevet patenteret. For eksempel, MnBi ₂ Te ₄ kunne bruges i chirale sammenkoblingsenheder, som lover overlegen ydeevne i forhold til de almindelige kobberforbindelser, der i øjeblikket anvendes i kommercielt tilgængelige integrerede kredsløb. Nogle andre applikationer inkluderer optiske modulatorer, magnetfeltsensorer og hukommelseselementer.

Forskerne, der arbejder i Donostia, sammen med deres netværk af internationale samarbejdspartnere, forventer at kunne observere i MnBi ₂ Te ₄ nogle af de eksotiske fænomener nævnt ovenfor, og opdag nye iboende magnetiske topologiske isolatorer med endnu bedre egenskaber end MnBi ₂ Te ₄ .