Topologi bliver magnetisk:Den nye bølge af topologiske magnetiske materialer

Den elektroniske struktur af ikke-magnetiske krystaller kan klassificeres af komplette teorier om båndtopologi, minder om et "topologisk periodisk system". Imidlertid, en sådan klassificering af magnetiske materialer har hidtil været uhåndgribelig, og derfor er meget få magnetiske topologiske materialer blevet opdaget til dato. I en ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Natur , et internationalt hold af forskere har udført den første high-throughput søgning efter magnetiske topologiske materialer, at finde over 100 nye magnetiske topologiske isolatorer og halvmetaller.

Det periodiske system klassificerer grundstoffer efter deres kemiske egenskaber, såsom antallet af elektroner eller elektronegativitet. Denne klassificering har ført til forudsigelse - og efterfølgende opdagelse - af nye elementer. Analogt, de elektroniske strukturer af ikke-magnetiske krystallinske faste stoffer - samlinger af elementer placeret med regelmæssige mellemrum - er for nylig blevet klassificeret gennem et "topologisk periodisk system" baseret på de komplette teorier om topologisk kvantekemi og symmetribaserede indikatorer. Baseret på topologien af ​​deres elektroniske bølgefunktioner, titusindvis af ikke-magnetiske topologiske materialer er blevet identificeret, fører til opdagelsen af ​​tusindvis af nye topologiske isolatorer.

I modsætning til deres ikke-magnetiske modstykker, magnetiske forbindelser kan i øjeblikket ikke klassificeres ved automatiserede topologiske metoder. I stedet, forskning i magnetiske topologiske materialer er blevet udført ad hoc, og er blevet motiveret af deres potentielle anvendelser som effektive termoelektriske omformere, energieffektive komponenter i mikroelektroniske enheder, der kunne være kernen i kvantecomputere, eller forbedrede magnetiske lagringsmedier. Imidlertid, selvom de første teoretiske undersøgelser af topologiske materialer og deres egenskaber i begyndelsen af ​​1980'erne blev udtænkt i magnetiske systemer - indsatser tildelt med Nobelprisen i fysik i 2016, de sidste 40 års fremskridt inden for opdagelse af topologiske materialer er stort set kommet inden for områderne ikke -magnetiske topologiske isolatorer og halvmetaller.

Det relative fravær af kandidat magnetiske topologiske materialer kan tilskrives de komplicerede symmetrier af magnetiske krystaller, og til de teoretiske og eksperimentelle vanskeligheder involveret i modellering og måling af kvantemagneter. Først, mens hundredtusindvis af kendte forbindelser er søgbare ved deres krystalstruktur i etablerede databaser, der er kun hundredvis af eksperimentelt målte magnetiske strukturer tilgængelige i de største magnetiske materialedatabaser. Sekund, hvorimod de ikke-magnetiske strukturer er klassificeret i kun 230 rumgrupper, magnetiske materialer er klassificeret efter 1, 421 magnetiske rumgrupper. "Oven i købet, i alle magnetiske systemer, vi skal også bekymre os om virkningerne af elektron-elektron-interaktioner, som er notorisk svære at modellere. Dette gør opgaven med at forudsige magnetiske topologiske materialer betydeligt mere kompliceret, selvom tallene var mere gunstige, "sagde B. Andrei Bernevig, en professor i fysik ved Princeton University og en af ​​forfatterne til denne undersøgelse, som har til formål at afhjælpe dette problem.

I undersøgelsen, udgivet i Natur , et internationalt hold af forskere har taget et stort skridt mod opdagelsen af ​​magnetiske materialer med ikke-trivielle topologiske elektroniske egenskaber.

"Klassificeringen og diagnosticeringen af ​​båndtopologi i magnetiske materialer lukker effektivt sløjfen, der startede for 40 år siden i et felt, hvis relevans er blevet forstærket af Nobelpriserne i fysik i 1985 og 2016, siger forfatter Claudia Felser, en direktør ved Max Planck Instituttet i Dresden.

I 2017, et team af forskere fra Princeton University, universitetet i Baskerlandet, Max Planck Instituttet, og DIPC udviklede en ny, fuldstændig forståelse af strukturen af ​​bånd i ikke-magnetiske materialer. "I denne teori - topologisk kvantekemi (TQC) - koblede vi de topologiske træk et materiale til dets underliggende kemi. Dette gjorde søgningen efter ikke-magnetiske topologiske materialer til en form, der effektivt kunne automatiseres, "sagde Luis Elcoro, professor ved universitetet i Baskerlandet i Bilbao og medforfatter til begge undersøgelser. TQC repræsenterer en universel ramme til at forudsige og karakterisere alle mulige båndstrukturer og krystallinske, støkiometriske materialer. TQC blev yderligere anvendt på 35, 000 eksperimentelt etablerede ikke-magnetiske forbindelser, førte til opdagelsen af ​​15, 000 nye ikke -magnetiske topologiske materialer.

"Vi har identificeret tusindvis af topologiske materialer i de sidste to år, hvorimod kun et par hundrede tidligere blev identificeret i løbet af de sidste to årtier. Før anvendelsen af ​​disse nye værktøjer, søgen efter nye materialer med disse forbløffende egenskaber var som at lede efter en nål i en høstak i tusmørket. Nu, at søge efter ikke-magnetiske topologiske materialer er næsten en rutineøvelse, "sagde Maia Vergniory, en adjunkt ved IKERBASQUE Foundation for Science og DIPC, og medforfatter til begge undersøgelser.

Nuværende forskning er i stigende grad blevet fokuseret på magnetiske forbindelser. Meget få magnetiske materialer er teoretisk blevet foreslået til at være vært for antiferromagnetiske magnetiske topologiske faser, og kun en håndfuld er blevet yderligere bekræftet eksperimentelt. "En teori, der svarer til TQC, er nødvendig for at opnå tilsvarende succes i undersøgelsen af ​​magnetiske materialer. Imidlertid er fordi der er over tusinde magnetiske symmetrigrupper at overveje, problemet er i bund og grund uløseligt med rå magt, " sagde Benjamin Wieder, en postdoc forsker ved Massachusetts Institute of Technology og Princeton, og en forfatter til denne undersøgelse.

Forskerne stod over for to hovedhindringer ved at gengive den succes, der blev opnået med ikke -magnetiske materialer:på den ene side det teoretiske maskineri, der var nødvendigt for at analysere båndtopologien af ​​et givet magnetisk materiale, skulle belyses. "Vi ser det komplette sæt værktøjer som en bygning. Mens de ikke-magnetiske materialer repræsenterede et robust rækkehus, den komplette teori om magnetiske materialer var i det væsentlige en ufærdig skyskraber, " sagde Zhida Song, en postdoc-forsker ved Princeton og en forfatter til det nye studie.

For topologisk materialefund, et andet problem er, at antallet af magnetiske materialer, hvis magnetiske struktur er kendt i pålidelige detaljer, er ret lille. "Mens vi havde 200, 000 ikke-magnetiske forbindelser at analysere, den største database med eksperimentelt målte magnetiske strukturer har omtrent 1, 000 poster. Kun i det sidste årti har forskere for alvor forsøgt at klassificere og indsamle strukturelle data for disse magnetiske materialer, " tilføjer forfatter Nicolas Regnault, professor ved Ecole Normale Superieure, CNRS, og Princeton.

"Heldigvis vi havde det ihærdige arbejde af folkene bag databasen med magnetiske strukturer i Bilbao Crystallographic Server, hvilket tillod os at indtaste de korrekte startdata i vores teoretiske modeller, " sagde Yuanfeng Xu, en postdoktor ved Max Planck Instituttet i Halle, og den første forfatter til den aktuelle undersøgelse. Den magnetiske information er hostet i Bilbao Crystallographic Server, som er delvist udviklet af prof. Elcoro.

Efter et udvalg af de bedste potentielle kandidater, holdet analyserede 549 magnetiske strukturer ved først at anvende ab-initio metoder for at opnå de magnetiske symmetrier af de elektroniske bølgefunktioner, og derefter bygge en magnetisk udvidelse af TQC for at bestemme, hvilke magnetiske strukturer der var vært for ikke-triviel elektronisk båndtopologi. "Til sidst, vi har fundet ud af, at andelen af ​​topologiske magnetiske materialer (130 ud af 549) i naturen ser ud til at svare til andelen i ikke-magnetiske forbindelser, " tilføjede Dr. Xu.

På trods af det lave absolutte antal magnetiske forbindelser i forhold til de tusindvis af ikke-magnetiske materialer, der hidtil er undersøgt, forfatterne har fundet en endnu større mangfoldighed af fascinerende egenskaber. "Antallet af knapper til spændende eksperimentelle undersøgelser, såsom kontrol af topologiske faseovergange, synes at være større i magnetiske materialer, " sagde Dr. Xu. "Nu hvor vi har forudsagt nye magnetiske topologiske materialer, det næste trin er at eksperimentelt verificere deres topologiske egenskaber, "tilføjede forfatter Yulin Chen, en professor ved Oxford og Shanghai Tech.

Forskerne har også oprettet en online database for fri adgang til resultaterne af denne undersøgelse - http://www.topologicalquantumchemistry.fr/magnetic. Brug af forskellige søgeværktøjer, brugerne kan udforske de topologiske egenskaber af de mere end 500 analyserede magnetiske strukturer. "Vi har lagt grundlaget for et katalog over topologiske magnetiske strukturer. Standardiseringen af ​​brugen af ​​magnetisk symmetri i eksperimentelle og teoretiske omgivelser, ledsaget af den udbredte anvendelse af de værktøjer, der er udviklet i dette arbejde, forventes at føre til et endnu større udbrud af opdagelser i magnetiske topologiske materialer i løbet af de kommende år, sagde Bernevig.