Nya experiment med magnetiskt dopade topologiska isolatorer vid BESSY II har avslöjat möjliga metoder för förlustfri signalöverföring som involverar ett överraskande självorganisationsfenomen. I framtiden, det kan vara möjligt att utveckla material med sådana egenskaper vid rumstemperatur som kan användas som bearbetningsenheter i kvantberäkningar, till exempel. Studien har publicerats i Natur .

Nya effekter inom fysik i fast tillstånd upptäcks ofta först vid temperaturer nära absolut noll (0 Kelvin eller -273 ° C). Ytterligare forskning kan sedan avgöra om och hur dessa fenomen kan induceras vid rumstemperatur också. Supraledning observerades initialt i kvicksilver under 4 Kelvin för mer än 100 år sedan. I dag, det finns många högtemperatursupraledare som leder elektrisk ström utan resistiva förluster vid temperaturer så höga som 138 Kelvin eller till och med 200 Kelvin (rekordet som innehas av H2S).

Quantised Anomalous Hall Effect (QAHE) observerades för första gången i en magnetiskt dopad topologisk isolator under 50 millikelvin 2013. I likhet med supraledning, denna effekt möjliggör förlustfri laddningstransport inom tunnkantskanalerna i proverna. Under tiden, forskare har ökat den maximala temperaturen vid vilken effekten kan observeras upp till cirka 1 Kelvin.

Dock, baserat på teoretiska överväganden, QAHE bör ske vid mycket högre temperaturer. Så det är ett mysterium varför detta inte händer. En kritisk parameter är känd som provets magnetiska energigap, det har aldrig mätts det förut. Ju större detta gap, desto stabilare bör effekten vara mot temperaturpåverkan.

Ett internationellt team som leds av HZB -fysikern Prof. Dr. Oliver Rader och Prof. Dr. Gunther Springholz från University of Linz har uppnått ett genombrott. Via fotoelektronspektroskopi med synkrotronstrålning av BESSY II, de har kunnat mäta energiklyftan i ett sådant prov för första gången. För att åstadkomma detta, ARPES1 -kuben användes för att nå extremt låga temperaturer; forskarna använde den nya spin-upplösningsförmågan hos det rysk-tyska laboratoriet vid BESSY II. Förvånande, gapet var faktiskt fem gånger större än teoretiskt förutspått.

Forskarna hittade också en enkel orsak till detta resultat:"Vi vet nu att mangandoping inte sker på ett stört sätt. Tvärtom, det orsakar skiktning som kallas en överbyggnad i materialet - skikt ungefär som ett smördeg, "förklarar Springholz." Genom att tillsätta några procent mangan, alternerande enheter med sju och fem lager skapas. Detta gör att manganet i första hand finns i de sju-lagers enheterna och kan därmed generera energigapet mycket mer effektivt."

Rader säger i efterhand att forskarnas fantasi om att använda dopmedel inte har sträckt sig tillräckligt långt hittills. De använde trevärda element som krom och vanadin som har magnetiska egenskaper för att ersätta vismut i vismuttellurid (Bi ₂ Te ₃ ), med dopningsatomerna i ett stört tillstånd. Anledningen till detta verkade mycket övertygande:Trivalenta magnetiska element bidrar med tre elektroner till kemiska bindningar och deras kemiska valens leder dessa element till vismutplatserna.

Med mangan, situationen är annorlunda. Eftersom mangan är bivalent, det passar inte riktigt bra på vismutsplatserna. Det är uppenbarligen därför som systemet blir radikalt omstrukturerat och skapar ett nytt dubbelskikt av atomer där mangan kan införlivas tvåvänt. "På det här sättet, en struktur skapas på ett självorganiserat sätt där mangan kan producera det stora magnetiska energigapet, "förklarar Rader.

Om dessa självorganisationsfenomen utnyttjas på specifika sätt, då kan helt nya konfigurationer dyka upp för magnetiska topologiska material, enligt Springholz. I princip, gapet som nu har uppmätts är redan så stort att det borde möjliggöra konstruktion av en nästan rumstemperatur QAHE från lämpliga komponenter. Dock, andra parametrar måste fortfarande förbättras. En magnetisk topologisk isolator som denna i kombination med en vanlig superledare kan också möjliggöra realisering av en kvantbehandlingsenhet (Qbit) för en kvantdator.