Сюрприз в квантовом мире: беспорядок приводит к ферромагнитному топологическому изолятору

  • Пользователь Алексей Коровин опубликовал
  • 22 марта 2023 г., 14:37:58 MSK
  • 0 комментариев
  • 83 просмотра
Магнитные топологические изоляторы - это экзотический класс материалов, которые проводят электроны вообще без какого-либо сопротивления и поэтому рассматриваются как многообещающий прорыв в материаловедении. Исследователи достигли важной вехи в стремлении к созданию энергоэффективных квантовых технологий, разработав ферромагнитный топологический изолятор MnBi6Te10 из семейства теллуридов марганца и висмута. Удивительная вещь в этом квантовом материале заключается в том, что его ферромагнитные свойства проявляются только тогда, когда некоторые атомы меняются местами, внося антисайтовый беспорядок.

В 2019 году международная исследовательская группа, возглавляемая химиком-материаловедом Анной Исаевой, в то время младшим профессором в КТ.qmat (Сложность и топология в квантовой материи) вызвала ажиотаж, изготовив первый в мире антиферромагнитный топологический изолятор - теллурид марганца-висмута (MnBi2Чай4). Этот замечательный материал обладает собственным внутренним магнитным полем, прокладывая путь для новых видов электронных компонентов, которые могут магнитно хранить информацию и переносить ее по поверхности без какого-либо сопротивления. Это могло бы произвести революцию в компьютерах, сделав их более устойчивыми и энергоэффективными. С тех пор исследователи по всему миру активно изучают различные аспекты этого многообещающего квантового материала, стремясь полностью раскрыть его потенциал.

Важная веха, достигнутая с помощью MnBi6Чай10

Основанный на ранее обнаруженном MnBi2Чай4, команда из КТ.в настоящее время qmat разработала топологический изолятор с ферромагнитными свойствами, известный как MnBi6Чай10. В ферромагнитных материалах отдельные атомы марганца магнитно выровнены параллельно, что означает, что все их магнитные моменты направлены в одном направлении. Напротив, в своем антиферромагнитном предшественнике, MnBi2Чай4, только магнитные моменты внутри одного слоя материала выровнены таким образом. Незначительное изменение химического состава кристалла оказывает серьезное влияние, поскольку ферромагнитный топологический изолятор MnBi6Чай10 обладает более сильным и устойчивым магнитным полем, чем его антиферромагнитный предшественник. "Нам удалось изготовить квантовый материал MnBi6Чай10 такой, что он становится ферромагнитным при температуре 12 Кельвинов. Хотя эта температура в -261 градус Цельсия все еще слишком низка для компьютерных компонентов, это первый шаг на долгом пути разработки", - объясняет профессор Владимир Хинков из Вюрцбурга. Именно его группа обнаружила, что поверхность материала обладает ферромагнитными свойствами, позволяющими ему проводить ток без каких-либо потерь, в то время как его внутренняя часть не обладает этой характеристикой.

Гонка за чудо-материалом

То КТ.исследовательская группа qmat была не одинока в стремлении создать ферромагнитный топологический изолятор в лаборатории. "После замечательного успеха MnBi2Чай4, исследователи по всему миру начали поиск новых кандидатов в качестве магнитных топологических изоляторов. В 2019 году четыре разные группы синтезировали MnBi6Чай10, но только в нашей лаборатории этот необычный материал проявил ферромагнитные свойства", - объясняет Исаева, ныне профессор экспериментальной физики Амстердамского университета.

Антисайтовый беспорядок в атомной структуре

Когда дрезденские химики-материаловеды во главе с Исаевой кропотливо выяснили, как получить кристаллический материал в процессе, похожем на детективную работу, они сделали удивительное открытие. Оказалось, что некоторые атомы необходимо было переместить из их первоначального атомного слоя, что означало, что они должны были оставить свое естественное расположение в кристалле. "Распределение атомов марганца по всем слоям кристалла заставляет окружающие атомы марганца вращать свой магнитный момент в одном направлении. Магнетический порядок становится заразительным", - объясняет Исаева. "Атомный антисайтовый беспорядок, явление, наблюдаемое в нашем кристалле, обычно считается разрушительным в химии и физике. Упорядоченные атомные структуры легче вычислить и лучше понять, но они не всегда дают желаемый результат", - добавляет Хинков. "Именно это расстройство является критическим механизмом, который позволяет MnBi6Чай10 стать ферромагнитным", - подчеркивает Исаева.

Совместная сеть для проведения передовых исследований

КТ.ученые qmat из двух Дрезденских университетов TU и JMU Вюрцбург, а также из Лейбниц-института фестивалей и Веркстофффоршунг (IFW) в Дрездене сотрудничали в этом новаторском исследовании. Кристаллы были получены командой химиков-материаловедов во главе с Исаевой (TU Dresden). Впоследствии объемный ферромагнетизм образцов был обнаружен в IFW, где доктор Хорхе И. Фацио также разработал всеобъемлющую теорию, объясняющую ферромагнетизм MnBi6Чай10 характеризуется антисайтовым беспорядком и его антиферромагнитными аналогами. Команда Хинкова из JMU Вюрцбург провела измерения жизненно важной поверхности.

В настоящее время исследователи работают над достижением ферромагнетизма при значительно более высоких температурах. Они уже добились первоначального прогресса, достигнув примерно 70 Кельвинов. Одновременно необходимо увеличить сверхнизкие температуры, при которых проявляются экзотические квантовые эффекты, поскольку проводимость тока без потерь начинается только при 1-2 Кельвинах.

Кластер передового опыта ct.qmat

Кластер передового опыта КТ.qmat - Сложность и топология в квантовой материи с 2019 года совместно управляется Университетом Юлиуса-Максимилиана Вюрцбурга и Техническим университетом Дрездена. Почти 400 ученых из более чем 30 стран и с четырех континентов изучают топологические квантовые материалы, которые обнаруживают удивительные явления в экстремальных условиях, таких как сверхнизкие температуры, высокое давление или сильные магнитные поля. КТ.qmat финансируется в рамках Стратегии передового опыта Германии федерального правительства и правительств штатов и является единственным кластером передового опыта, базирующимся в двух разных федеральных землях.

Комментарии

0 комментариев