Byggestenene til at udforske nye eksotiske tilstande af stof

Topologiske isolatorer fungerer som elektriske isolatorer på indersiden, men leder elektricitet langs deres overflader. Forskere studerer nogle af disse isolatorers eksotiske adfærd ved at bruge et eksternt magnetfelt til at tvinge ionspindene i en topologisk isolator til at være parallelle med hinanden. Denne proces er kendt som breaking time-reversal symmetri. Nu har et forskerhold skabt en iboende ferromagnetisk topologisk isolator. Dette betyder, at tids-reverseringssymmetrien brydes uden at påføre et magnetfelt. Holdet brugte en kombination af syntese, karakteriseringsværktøjer og teori til at bekræfte strukturen og egenskaberne af nye magnetiske topologiske materialer. I processen opdagede de en eksotisk aksionsisolator i MnBi₈ Te₁₃ .

Forskere kan bruge magnetiske topologiske materialer til at realisere eksotiske former for stof, som ikke ses i andre typer materiale. Forskere mener, at de fænomener, som disse materialer udviser, kan hjælpe med at fremme kvanteteknologi og øge energieffektiviteten af ​​fremtidige elektroniske enheder. Forskere mener, at en topologisk isolator, der i sagens natur er ferromagnetisk, snarere end at få sine egenskaber ved at tilføje et lille antal magnetiske atomer, er ideel til at studere ny topologisk adfærd. Dette skyldes, at der ikke er behov for et eksternt magnetfelt for at studere materialets egenskaber. Det betyder også, at materialets magnetisme er mere ensartet fordelt. Forskere har dog tidligere stået over for udfordringer med at skabe denne slags materiale. Dette nye materiale består af lag af mangan-, vismut- og telluratomer. Det kunne give muligheder for at udforske nye faser af stof og udvikle nye teknologier. Det hjælper også forskere med at studere grundlæggende videnskabelige spørgsmål om kvantematerialer.

Forskerholdet, ledet af forskere fra University of California, Los Angeles, udviklede den iboende ferromagnetiske topologiske isolator ved at lave en forbindelse med vekslende lag af MnBi₂ Te₄ og Bi₂ Te₃ , bundet af svage mellemlags tiltrækningskræfter mellem molekyler. Forskere opdagede for nylig, at MnBi₂ Te₄ er et naturligt magnetisk topologisk materiale. Men når lag af magnetisk MnBi₂ Te₄ er direkte stablet på hinanden, peger de magnetiske momenter i nabolag i modsatte retninger, hvilket gør materialet antiferromagnetisk som helhed - og mister de topologiske aspekter af de egenskaber, der er vigtige for teknologier. Forskerne løste dette problem ved at lave en ny forbindelse med tre ikke-magnetiske lag af Bi₂ Te₃ mellem lag af MnBi₂ Te₄ , som tilsammen skaber MnBi₈ Te₁₃ . Dette materialedesign øger afstanden mellem MnBi₂ Te₄ lag, som med succes eliminerer den antiferromagnetiske effekt, hvilket fører til langrækkende ferromagnetisme under 10,5 K med stærk kobling mellem magnetisme og ladningsbærere.

Vigtige aspekter af denne forskning var neutronspredningseksperimenter gennem DEMAND-instrumentet ved High Flux Isotope Reactor (HFIR), der udpegede, hvordan atomer er arrangeret i MnBi₈ Te₁₃ materiale og bekræftede dets ferromagnetiske tilstand. Fordi neutroner har deres eget magnetiske moment, kan de bruges til at bestemme den magnetiske struktur inde i et materiale. Forskerne brugte desuden vinkelopløste fotoemissionsspektroskopi-eksperimenter ved Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, en Department of Energy-brugerfacilitet, og de første principper, tæthedsfunktionsteori-beregninger til at undersøge materialets elektroniske og topologiske tilstand. Ved at kombinere vurderingerne fra alle disse metoder var forskerne i stand til at validere de ferromagnetiske og topologiske egenskaber i overensstemmelse med en aksionsisolator med betydelige overfladehybridiseringsgab og et ikke-trivielt Chern-tal. + Udforsk yderligere

Elektroner på kanten:Historien om en iboende magnetisk topologisk isolator