Forskarna Kredit:UPV/EHU
De så kallade topologiska isolatorerna är de material som är isolatorer i bulk, d.v.s. de som inte tillåter elektriska strömmar i sin volym, men det är ledare på sina ytor. Till skillnad från de vanliga ledarna, det är, metaller, den elektriska strömmen som cirkulerar i en topologisk isolator lider ingen energiförlust. Denna fastighet öppnar stora möjligheter för tillämpning inom elektronik, eftersom det skulle göra det möjligt att tillverka mer effektiv, snabbare och låg energiförbrukning. Detta är ett så önskvärt mål som det är nödvändigt i det nuvarande scenariot med snabb framsteg i energibehovet världen över, som hotar vår miljö. Just av den anledningen, upptäckten av topologiska isolatorer för ungefär ett decennium sedan orsakade en global forskningsboom inom områdena nanoteknik och fysik av kondenserad materia.
Med tanke på tekniska tillämpningar, till exempel inom informationsteknik, en av utmaningarna under dessa år av intensiv forskning har varit skapandet av en magnetisk topologisk isolator. Än så länge, magnetiska topologiska isolatorer hade bara skapats med den så kallade extrinsic vägen, som består av dopning av icke -magnetiska topologiska isolatorer med magnetiska atomer. Dock, tack vare insatser från en grupp forskare från Materials Physics Center (CFM, CSIC-UPV/EHU gemensamt centrum), Donostia International Physics Center (DIPC) och Baskiska universitetets universitet (UPV/EHU), det är nu möjligt att odla en inneboende magnetisk topologisk isolator, det är, en som har magnetiska egenskaper av sin egen natur.
Teamet som inkluderar DIPC -forskare Mikhail Otrokov (CFM Ikerbasque Research Fellow), Evgueni Chulkov (UPV/EHU, Euskadi Research Prize 2019), María Blanco Rey (UPV/EHU) och Pedro M. Echenique (UPV/EHU, DIPC:s ordförande), har teoretiskt förutsett den första inneboende magnetiska topologiska isolatorn, med kemisk formel MnBi 2 Te 4 . Nyckeln till framgången för denna förutsägelse har varit den stora mängden erfarenhet som denna grupp forskare har inom områdena topologiska isolatorer, magnetism och materialvetenskap i allmänhet. Den Ikerbasque stipendiat och ledare för denna forskning, Mikhail Otrokov, säger att "tidigare arbete från olika tillvägagångssätt ledde oss till slutsatsen att den inneboende vägen var den enda möjliga nuförtiden. Sedan, vi styrde våra ansträngningar att hitta en inneboende magnetisk topologisk isolator baserat på vår tidigare erfarenhet. Tack vare det, vi visste vilken kristallin struktur och atomkomposition ett sådant material borde ha. "
MnBi2Te4 enkristall. Kredit:(c) Anna Isaeva
Donostia (Baskien, Spanien) är inte bara platsen där den teoretiska förutsägelsen av denna första magnetiska topologiska isolator har genomförts, men det har också varit baslägret varifrån dess experimentella bekräftelse har samordnats. Detta arbete har involverat experter inom olika områden, från ledande forskningscentra i Ryssland, Azerbajdzjan, Tyskland, Österrike, Japan, Italien och USA. Resultaten av denna studie publiceras i veckan i den prestigefyllda tidskriften Natur . Otrokov har förklarat att för experimentell bekräftelse, det första steget var syntesen av de sammansatta kristallerna av experterna på kemisk syntes. När den väl syntetiserats, proverna utsattes för en mängd karaktäriseringsexperiment - strukturella, magnetisk, elektronisk, av transport, av atomkomposition, etc - tills de förutsagda egenskaperna observerades och verifierades.
Resultaten av studien, som redan hade spridits via en server med öppen åtkomst och föreläsningar av författarna vid internationella konferenser, har mottagits väl av det internationella vetenskapliga samfundet. För närvarande, MnBi 2 Te 4 och annat material baserat på det studeras i flera forskningscentrum, USA och Kinas mest intensiva aktivitet.
"MnBi 2 Te 4 , förutom att vara en inneboende magnetisk topologisk isolator, har visat sig vara antiferromagnetisk, precis som vi hade räknat ut, "Blanco berättar för oss. Antiferromagnetism består av en magnetisk ordning i atomskala, så att materialet saknar nettomagnetisering. Som ett resultat, dessa material är mycket mer robusta mot störningar av magneter.
Denna kristall består av mangan (Mn), Vismut (Bi) och Tellurium (Te) har en stor potential både på en fundamental och en teknisk nivå. Det är extremt rikt på exotiska egenskaper, till exempel, som de olika Hall -effekterna, inklusive de kvantiska, varav några används för kalibrering av fysiska konstanter för sin exceptionella precision. Dessutom, MnBi 2 Te 4 kan användas för att skapa den så kallade Majorana fermionen. Detta är en slags partikel, en kvasipartikel för att vara korrekt, som har ansetts vara hörnstenen för kvantberäkning.
Likaså, MnBi 2 Te 4 är det första inneboende materialet för vilket ett elektromagnetiskt svar mycket liknar ett axions förutsägelse. En axion är en hypotetisk partikel postulerad inom ramen för kvantkromodynamik, och det är en bra kandidat för att lösa problemet med mörk materia. Det är därför det finns många experiment som syftar till just att upptäcka signaler om beteenden av axionstyp i familjen av denna förening.
När det gäller de praktiska tillämpningarna, flera enheter baserade på magnetiska topologiska isolatorer har redan patenterats. Till exempel, MnBi 2 Te 4 kan användas i kirala sammankopplingsenheter, som lovar överlägsen prestanda för de vanliga kopparanslutningarna som för närvarande används i kommersiellt tillgängliga integrerade kretsar. Några andra applikationer inkluderar optiska modulatorer, magnetfältssensorer och minneselement.
Forskarna som arbetar i Donostia, tillsammans med sitt nätverk av internationella samarbetspartners, räkna med att kunna observera i MnBi 2 Te 4 några av de exotiska fenomen som nämns ovan, och upptäck nya inneboende magnetiska topologiska isolatorer med ännu bättre egenskaper än de hos MnBi 2 Te 4 .
