Topologiska isolatorer fungerar som elektriska isolatorer på insidan men leder elektricitet längs sina ytor. Forskare studerar några av dessa isolatorers exotiska beteende med hjälp av ett externt magnetfält för att tvinga jonspinn i en topologisk isolator att vara parallella med varandra. Denna process är känd som att bryta tidsreverseringssymmetri. Nu har ett forskarlag skapat en inneboende ferromagnetisk topologisk isolator. Detta innebär att tidsomkastningssymmetrin bryts utan att ett magnetfält appliceras. Teamet använde en kombination av syntes, karaktäriseringsverktyg och teori för att bekräfta strukturen och egenskaperna hos nya magnetiska topologiska material. I processen upptäckte de en exotisk axionsisolator i MnBi₈ Te₁₃ .

Forskare kan använda magnetiska topologiska material för att realisera exotiska former av materia som inte syns i andra typer av material. Forskare tror att fenomenen som dessa material uppvisar kan bidra till att främja kvantteknologin och öka energieffektiviteten hos framtida elektroniska enheter. Forskare tror att en topologisk isolator som till sin natur är ferromagnetisk, snarare än att få sina egenskaper genom att lägga till ett litet antal magnetiska atomer, är idealisk för att studera nya topologiska beteenden. Detta eftersom det inte behövs något yttre magnetfält för att studera materialets egenskaper. Det betyder också att materialets magnetism är mer jämnt fördelad. Men forskare har tidigare ställts inför utmaningar när det gäller att skapa denna typ av material. Detta nya material består av lager av mangan, vismut och telluratomer. Det skulle kunna ge möjligheter att utforska nya faser av materia och utveckla ny teknik. Det hjälper också forskare att studera grundläggande vetenskapliga frågor om kvantmaterial.

Forskargruppen, ledd av forskare från University of California, Los Angeles, utvecklade den inneboende ferromagnetiska topologiska isolatorn genom att göra en förening med alternerande lager av MnBi₂ Te₄ och Bi₂ Te₃ , bundna av svaga attraktionskrafter mellan skikten mellan molekyler. Forskare upptäckte nyligen att MnBi₂ Te₄ är ett naturligt magnetiskt topologiskt material. Men när lager av magnetisk MnBi₂ Te₄ är direkt staplade på varandra pekar de magnetiska momenten inom närliggande skikt i motsatta riktningar, vilket gör materialet antiferromagnetiskt som en helhet - och förlorar de topologiska aspekterna av egenskaperna som är viktiga för teknologier. Forskarna löste detta problem genom att göra en ny förening med tre icke-magnetiska lager av Bi₂ Te₃ mellan lager av MnBi₂ Te₄ , som tillsammans skapar MnBi₈ Te₁₃ . Denna materialdesign ökar avståndet mellan MnBi₂ Te₄ skikt, vilket framgångsrikt eliminerar den antiferromagnetiska effekten, vilket leder till långdistansferromagnetism under 10,5 K med stark koppling mellan magnetism och laddningsbärare.

Viktiga aspekter av denna forskning var neutronspridningsexperiment genom DEMAND-instrumentet vid High Flux Isotope Reactor (HFIR) som pekade ut hur atomer är ordnade inom MnBi₈ Te₁₃ materialet och bekräftade dess ferromagnetiska tillstånd. Eftersom neutroner har sitt eget magnetiska moment kan de användas för att bestämma den magnetiska strukturen inuti ett material. Forskarna använde dessutom vinkelupplösta fotoemissionsspektroskopiexperiment vid Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, en avdelning för energianvändare, och första principer, densitetsfunktionella teoriberäkningar för att undersöka materialets elektroniska och topologiska tillstånd. Genom att kombinera bedömningarna från alla dessa metoder kunde forskarna validera de ferromagnetiska och topologiska egenskaperna som överensstämmer med en axionsisolator med stora ythybridiseringsgap och ett icke-trivialt Chern-nummer. + Utforska vidare

Electrons on the edge:historien om en inneboende magnetisk topologisk isolator