Ensimmäinen antiferromagneettinen topologinen kvanttimateriaali

Laaja kansainvälisten tutkimusryhmien yhteenliittymä, johon osallistui myös TU Dresden, on löytänyt uudentyyppisen kvanttimateriaalin, jolla on luontaiset magneettiset ja topologiset ominaisuudet. Uusi materiaali on mangaani-vismutti-telluridi (MnBi2Te4) ja se on erittäin lupaava sovellettavaksi antiferromagneettisiin spintronisiin ja kvanttisiin tekniikoihin.

Kvanttimateriaalit ovat maailmanlaajuisesti tutkimustoiminnan painopisteenä eri tieteenaloilla. Tällä materiaaliluokalla näyttää olevan yhä monimutkaisempia ja rikkaita fysikaalisia ilmiöitä, kuten magnetiikkaa, suprajohtavuutta tai topologiaa ja siksi se on erittäin lupaava tekniikan kehitykselle tietojenkäsittelyn, anturien, laskennan ja monien muiden alojen parissa.

Kvanttimateriaalien poikkeukselliset ominaisuudet vaativat usein erityisiä, tuskin saavutettavissa olevia olosuhteita, kuten matalat lämpötilat, erittäin voimakkaat magneettikentät tai korkea paine. Siksi tutkijat etsivät materiaaleja, joilla on eksoottisia ominaisuuksia jopa huoneenlämmössä ilman ulkoisia magneettikenttiä ja normaalissa ilmanpaineessa. Erityisen lupaavia ovat magneettiset topologiset eristeet (MTI). Niitä pidetään uusien kvasihiukkasten ja ennennäkemättömien kvantti-ilmiöiden lähteenä, mutta niiden kokeellinen toteutus on haastava.

Laajassa työssään tutkijat kehittivät ensimmäisen kidekasvatustekniikan ensimmäiselle luontaisesti magneettiselle topologiselle materiaalille: mangaani-vismutti-telluridille (MnBi2Te4) ja kuvailivat kiteiden fysikaalisia ominaisuuksia.

Tutkimusyhteistyö pystyi osoittamaan sekä teoriassa, että spektroskopisissa kokeissa, että MnBi2Te4 on ensimmäinen alle Néelin lämpötilan toimiva antiferromagneettinen topologinen eriste (AFMTI).

Tämän löydön merkitys tiedeyhteisölle on valtava: MTI-kiteen pinnalla on reunatila, joka voi saavuttaa kvantisoidun Hall-johtavuuden jopa ilman ulkoista magneettikenttää. Myös uusi magneettisten van der Waals -materiaalien tutkimusalue voisi hyötyä uusista kaksiulotteisista ferromagneeteista.

Dresdenin Anna Isaevan ryhmä on edelleen optimoinut uuden materiaalin synteesiprotokollan niin, että MnBi2Te4 -kiteet voidaan tuottaa helpommin.

"Olemme t odistamassa uuden magneettisen topologisen eristeperheen syntymistä, jotka luottavat pikemminkin luontaiseen magnetointiin kuin perinteisemmän magneettisen seostuksen lähestymistapaan,” toteaa Isaeva.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttimateriaaleja puolijohteiden tilalle

Parhaat kahdesta maailmasta: Magnetismi ja Weyl -puolimetallit