Egenskaperna hos en ny, järnhaltig typ av material som man tror har framtida tillämpningar inom nanoteknik och spintronik har fastställts vid Purdue University.

Det inhemska materialet, en topologisk isolator, är en ovanlig typ av tredimensionellt (3-D) system som har den intressanta egenskapen att inte förändra sin kristallstruktur väsentligt när det ändrar elektroniska faser-till skillnad från vatten, till exempel, som går från is till vätska till ånga. Viktigare, materialet har en elektriskt ledande yta men en icke-ledande (isolerande) kärna.

Dock, när järn har införts i det inhemska materialet, under en process som kallas doping, vissa strukturella omläggningar och magnetiska egenskaper visas som har hittats med högpresterande beräkningsmetoder.

"Dessa nya material, dessa topologiska isolatorer, har väckt ganska mycket uppmärksamhet eftersom de visar nya tillstånd av materia, "sa Jorge Rodriguez, docent i fysik och astronomi.

"Tillsatsen av järnjoner introducerar nya magnetiska egenskaper som ger topologiska isolatorer nya potentiella tekniska tillämpningar, "Rodriguez sa." Med tillägg av magnetiska dopmedel till topologiska isolatorer, såsom järnjoner, nya fysiska fenomen förväntas som ett resultat av kombinationen av topologiska och magnetiska egenskaper. "

2016, tre forskare fick Nobelpriset i fysik för sitt arbete med relaterat material.

Men för all fascination och löfte om järnhaltiga topologiska isolatorer, användningen av dessa material inom nanoteknik behövde ytterligare förståelse för hur deras strukturella, elektroniska och magnetiska egenskaper fungerar tillsammans.

Rodriguez sa att hans arbete använder superdatorer för att förklara Mössbauer -spektroskopi, en teknik som detekterar mycket små strukturella och elektroniska konfigurationer, för att förstå vad andra forskare har observerat experimentellt på järnsystem.

"Genom att använda kvantmekanikens lagar i en beräkningsmiljö, vi kunde använda en modelleringsteknik som kallas densitetsfunktionell teori, som löser de grundläggande ekvationerna för kvantmekanik för detta material, och vi kunde fullständigt förklara de experimentella resultaten, "Rodriguez sa." För första gången kunde vi upprätta ett samband mellan de experimentella data som producerades av Mössbauer -spektroskopi, och 3D-strukturen för detta material. Denna nya förståelse av det topologiska materialet kommer att göra det lättare för ingenjörer att använda det i nya applikationer. "

Verket publicerades i Fysisk granskning B .