Den elektroniska strukturen hos icke-magnetiska kristaller kan klassificeras av fullständiga teorier om bandtopologi, påminner om ett "topologiskt periodiskt system". Dock, en sådan klassificering av magnetiska material har hittills varit svårfångad, och därför har mycket få magnetiska topologiska material upptäckts hittills. I en ny studie publicerad i tidskriften Natur , ett internationellt team av forskare har utfört det första högupplösta sökandet efter magnetiska topologiska material, hitta över 100 nya magnetiska topologiska isolatorer och halvmetaller.

Det periodiska systemet klassificerar grundämnen efter deras kemiska egenskaper, såsom antalet elektroner eller elektronegativitet. Denna klassificering har lett till förutsägelse - och efterföljande upptäckt - av nya element. Analogt, de elektroniska strukturerna av icke-magnetiska kristallina fasta ämnen – samlingar av element placerade med regelbundna avstånd – har nyligen klassificerats genom ett "topologiskt periodiskt system" baserat på de fullständiga teorierna om topologisk kvantkemi och symmetribaserade indikatorer. Baserat på topologin för deras elektroniska vågfunktioner, tiotusentals icke -magnetiska topologiska material har identifierats, leder till upptäckten av tusentals nya topologiska isolatorer.

Till skillnad från deras icke-magnetiska motsvarigheter, magnetiska föreningar kan för närvarande inte klassificeras med automatiserade topologiska metoder. Istället, forskning på magnetiska topologiska material har utförts ad hoc, och har motiverats av deras potentiella tillämpningar som effektiva termoelektriska omvandlare, energieffektiva komponenter i mikroelektroniska enheter som kan vara kärnan i kvantdatorer, eller förbättrade magnetiska lagringsmedia. Dock, även om de första teoretiska studierna av topologiska material och deras egenskaper i början av 1980-talet utarbetades i magnetiska system – ansträngningar som belönades med Nobelpriset i fysik 2016, de senaste 40 årens framsteg inom upptäckt av topologiska material har till stor del kommit inom områdena ickemagnetiska topologiska isolatorer och halvmetaller.

Den relativa frånvaron av kandidatmagnetiska topologiska material kan hänföras till de komplicerade symmetrierna hos magnetiska kristaller, och till de teoretiska och experimentella svårigheterna med att modellera och mäta kvantmagneter. Först, medan hundratusentals kända föreningar är sökbara genom sin kristallstruktur i etablerade databaser, det finns bara hundratals experimentellt uppmätta magnetiska strukturer tillgängliga i de största magnetiska materialdatabaserna. Andra, medan de icke-magnetiska strukturerna är klassificerade i endast 230 rymdgrupper, magnetiska material klassificeras av 1, 421 magnetiska rymdgrupper. "Dessutom, i alla magnetiska system, vi måste också oroa oss för effekterna av elektron-elektroninteraktioner, som är notoriskt svåra att modellera. Detta gör uppgiften att förutsäga magnetiska topologiska material betydligt mer komplicerad, även om siffrorna var mer gynnsamma, "sa B. Andrei Bernevig, en professor i fysik vid Princeton University och en av författarna till denna studie som syftar till att åtgärda detta problem.

I studien, publiceras i Natur , ett internationellt team av forskare har tagit ett stort steg mot upptäckten av magnetiska material med icke -lokala topologiska elektroniska egenskaper.

"Klassificeringen och diagnosen av bandtopologi i magnetiska material stänger effektivt slingan som började för 40 år sedan inom ett område vars relevans har förstärkts av Nobelpriset i fysik 1985 och 2016, säger författaren Claudia Felser, direktör vid Max Planck-institutet i Dresden.

År 2017, ett team av forskare från Princeton University, universitetet i Baskien, Max Planck Institute, och DIPC utvecklade en ny, fullständig förståelse för bandens struktur i icke -magnetiska material. "I den här teorin – topologisk kvantkemi (TQC) – kopplade vi de topologiska egenskaperna i ett material till dess underliggande kemi. Detta gjorde sökandet efter icke-magnetiska topologiska material till en form som effektivt kunde automatiseras, "sa Luis Elcoro, professor vid universitetet i Baskien i Bilbao och medförfattare till båda studierna. TQC representerar ett universellt ramverk för att förutsäga och karakterisera alla möjliga bandstrukturer och kristallina, stökiometriska material. TQC tillämpades vidare på 35, 000 experimentellt etablerade icke-magnetiska föreningar, leder till upptäckten av 15, 000 nya omagnetiska topologiska material.

"Vi har identifierat tusentals topologiska material under de senaste två åren, medan endast några hundra tidigare identifierats under de senaste två decennierna. Före tillämpningen av dessa nya verktyg, sökandet efter nya material med dessa häpnadsväckande egenskaper var som att leta efter en nål i en höstack i skymningen. Nu, att söka efter icke -magnetiska topologiska material är nästan en rutinövning, sa Maia Vergniory, en biträdande professor vid IKERBASQUE Foundation for Science och DIPC, och en medförfattare till båda studierna.

Nuvarande forskning har alltmer blivit inriktad på magnetiska föreningar. Mycket få magnetiska material har teoretiskt föreslagits för att vara värd för antiferromagnetiska magnetiska topologiska faser, och endast en handfull har ytterligare bekräftats experimentellt. "En teori som motsvarar TQC behövs för att uppnå jämförbar framgång i studiet av magnetiska material. eftersom det finns över tusen magnetiska symmetrigrupper att ta hänsyn till, problemet är i huvudsak svårlöst med brutalt våld, sa Benjamin Wieder, en postdoktor vid Massachusetts Institute of Technology och Princeton, och en författare till denna studie.

Forskarna stod inför två huvudsakliga hinder för att återskapa framgången med icke-magnetiska material:å ena sidan, det teoretiska maskineriet som behövs för att analysera bandtopologin för ett givet magnetiskt material måste belysas. "Vi ser den kompletta uppsättningen verktyg som en byggnad. Medan de icke-magnetiska materialen representerade ett robust radhus, den fullständiga teorin om magnetiska material var i huvudsak en oavslutad skyskrapa, " sa Zhida Song, en postdoktor vid Princeton och en författare till den nya studien.

För topologisk materialupptäckt, ett annat problem är att antalet magnetiska material vars magnetiska struktur är känd i tillförlitlig detalj är ganska litet. "Medan vi hade 200, 000 icke-magnetiska föreningar att analysera, den största databasen med experimentellt uppmätta magnetstrukturer har ungefär 1, 000 inlägg. Bara under det senaste decenniet har forskare på allvar försökt klassificera och samla in strukturella data för dessa magnetiska material, " tillägger författaren Nicolas Regnault, professor vid Ecole Normale Superieure, CNRS, och Princeton.

"Lyckligtvis, vi hade det ihärdiga arbetet av människorna bakom databasen för magnetiska strukturer i Bilbaos kristallografiska server, vilket gjorde det möjligt för oss att mata in korrekta initiala data i våra teoretiska modeller, sa Yuanfeng Xu, en postdoktor vid Max Planck-institutet i Halle, och den första författaren till den aktuella studien. Den magnetiska informationen finns i Bilbao Crystallographic Server, som delvis är utvecklad av prof. Elcoro.

Efter ett urval av de bästa potentiella kandidaterna, teamet analyserade 549 magnetiska strukturer genom att först tillämpa ab-initio metoder för att erhålla de magnetiska symmetrierna för de elektroniska vågfunktionerna, och sedan bygga en magnetisk förlängning av TQC för att bestämma vilka magnetiska strukturer som var värd för icke-trivial elektronisk bandtopologi. "I slutet, vi har funnit att andelen topologiska magnetiska material (130 av 549) i naturen tycks likna andelen i icke-magnetiska föreningar, " tillade Dr. Xu.

Trots det låga absoluta antalet magnetiska föreningar i förhållande till de tusentals icke-magnetiska material som hittills studerats, författarna har funnit en ännu större mångfald av fascinerande egenskaper. "Antalet rattar för spännande experimentella studier, såsom kontroll av topologiska fasövergångar, verkar vara större i magnetiska material, " sa Dr. Xu. "Nu när vi har förutspått nya magnetiska topologiska material, nästa steg är att experimentellt verifiera deras topologiska egenskaper, " tillade författaren Yulin Chen, professor vid Oxford och Shanghai Tech.

Forskarna har också skapat en onlinedatabas för att fritt få tillgång till resultaten av denna studie - http://www.topologicalquantumchemistry.fr/magnetic. Med hjälp av olika sökverktyg, användarna kan utforska de topologiska egenskaperna hos de mer än 500 analyserade magnetiska strukturerna. "Vi har lagt grunden till en katalog över topologiska magnetiska strukturer. Standardiseringen av användningen av magnetisk symmetri i experimentella och teoretiska miljöer, åtföljd av den utbredda användningen av de verktyg som utvecklats i detta arbete, förväntas leda till en ännu större upptäcktsupplevelse i magnetiska topologiska material under de kommande åren, sa Bernevig.