Antiferromagneettisesta ferromagneettiseen topologiseen eristeeseen

Magneettiset topologiset eristeet ovat eksoottinen materiaaliluokka, joka johtaa elektroneja ilman vastusta, joten niitä pidetään lupaavana materiaalitieteen läpimurtona.

Tutkijat Cluster of Excellence ct.qmatista Würzburgista ja Dresdenistä ovat saavuttaneet merkittävän virstanpylvään energiatehokkaiden kvanttitekniikoiden tavoittelussa suunnittelemalla ferromagneettisen topologisen eristeen MnBi6Te10 mangaanivismuttitelluridin perheestä.

Vuonna 2019 kansainvälinen tutkimusryhmä, jota johti materiaalikemisti Anna Isaeva, ct.qmat-tiimissä, aiheutti kohun valmistamalla maailman ensimmäisen antiferromagneettisen topologisen eristeen – mangaanivismuttitelluridin (MnBi2Te4). Tällä merkittävällä materiaalilla on oma sisäinen magneettikenttä, joka avaa tietä uudenlaisille elektronisille komponenteille,jotka voivat tallentaa informaatiota magneettisesti ja kuljettaa sitä pinnallaan ilman resistanssia.

Tämä voisi mullistaa tietokoneet tekemällä niistä kestävämpiä ja energiatehokkaampia. Siitä lähtien tutkijat ympäri maailmaa ovat aktiivisesti tutkineet tämän lupaavan kvanttimateriaalin eri puolia, innokkaasti vapauttamaan sen koko potentiaali.

Perustuen aiemmin löydettyyn MnBi2Te4:een, Ct.qmat-tutkijat ovat nyt kehittäneet topologisen eristeen, jolla on ferromagneettisia ominaisuuksia ja joka tunnetaan nimellä MnBi6Te10.

Pienellä muutoksella kiteen kemiallisessa koostumuksessa on suuri vaikutus, sillä ferromagneettinen topologinen eriste MnBi6Te10 osoittaa vahvempaa ja vankempaa magneettikenttää kuin sen antiferromagneettinen edeltäjänsä.

”Onnistuimme valmistamaan kvanttimateriaalin MnBi6Te10 sellaiseksi, että se muuttuu ferromagneettiseksi 12 kelvinissä. Vaikka tämä –261 celsiusasteen lämpötila on vielä aivan liian alhainen tietokonekomponenteille, tämä on ensimmäinen askel pitkällä kehitysmatkalla”, selittää professori Vladimir Hinkov Würzburgista.

Kun Isaevan johtamat Dresdenissä asuvat materiaalikemistit selvittivät huolella, kuinka kiteistä materiaalia voidaan tuottaa salapoliisityötä muistuttavassa prosessissa, he tekivät hämmästyttävän löydön.

Kävi ilmi, että jotkin atomit oli sijoitettava uudelleen alkuperäisestä atomikerroksestaan. "Mangaaniatomien jakautuminen kaikkiin kidekerroksiin saa ympäröivät mangaaniatomit pyörittämään magneettista momenttiaan samaan suuntaan.

Magneettinen järjestys tarttuu”, Isaeva selittää. "Atominen antisite-häiriö, ilmiö, joka näkyy kiteessämme, katsotaan yleensä häiritseväksi kemiassa ja fysiikassa. Järjestetyt atomirakenteet on helpompi laskea ja ymmärtää paremmin – silti ne eivät aina tuota toivottua tulosta”, Hinkov lisää "Tämä häiriö on kriittinen mekanismi, joka mahdollistaa MnBi6Te10:n muuttumisen ferromagneettiseksi", Isaeva korostaa.

Aiheesta aiemmin:

Ensimmäinen antiferromagneettinen topologinen kvanttimateriaali

Antiferromagneettisuutta spintroniikkaan ja muisteihin