Topologisten magneettien suunnittelua

Topologiset kvanttimateriaalit yhdistävät epätavallisia elektronisia tiloja ominaisuuksiin, kuten magnetismiin tai suprajohtavuuteen, mikä tarjoaa mahdollisuuksia tulevaisuuden elektroniikalle ja kvanttiteknologioille.

Tohokun yliopiston tutkijat ovat nyt osoittaneet, että kiteen kerrosten määrän muuttaminen voi tarjota systemaattisen tavan suunnitella topologisia magneetteja.

Strategia perustuu homologisiin sarjoihin eli yhdisteperheisiin, jotka koostuvat samoista rakenneyksiköistä, mutta joissa on eri määrä kerroksia. Tällaisia sarjoja on pitkään käytetty funktionaalisten oksidien, kuten korkean lämpötilan suprajohteiden, virittämiseen. Tähän asti ei ole ollut olemassa vastaavaa kerrospohjaista suunnittelutapaa topologisille kvanttimateriaaleille.

Tohokun yliopiston materiaalitutkimuslaitoksen professori Hideaki Sakain johtama tutkimusryhmä keskittyi neliömäisiä kemiallisen rakenteen verkkokerroksia sisältäviin magneettisiin materiaaleihin. Nämä kerrokset isännöivät topologisia Dirac-elektroneja, kun taas välikerrokset tarjoavat magneettista toiminnallisuutta. Välikerrosten lukumäärän vaihtelu voi siis muuttaa molempia ominaisuuksia.

Tutkimusryhmä syntetisoi Ce₃Au₄Ge₂Bi₄:tä, aiemmin tuntematonta yhdistettä, jossa on kaksi välikerrosta neliömäisten verkkojensa välissä. Materiaali yhdistää tunnetun yksikerroksisen yhdisteen CeAuBi₂:n äärettömän kerroksen yhdisteeseen CeAu₂Ge₂:hen muodostaen uuden homologisen sarjan, joka perustuu samoihin rakenneosiin.

Neutronisirontakokeet osoittivat, että kerrosten lukumäärä muuttaa magneettista järjestystä. Yksikerroksisella materiaalilla on antiferromagneettinen järjestys, kun taas Ce₃Au₄Ge₂Bi₄:llä on ferrimagneettinen järjestys. Ferrimagneetissa vastakkaiset magneettiset momentit eivät täysin kumoudu, mikä johtaa spontaaniin magnetoitumiseen.

"Muuttamalla kerrosten lukumäärää säilyttäen samalla olennaisen neliömäisen verkkorakenteen, voimme virittää magneettisia ja topologisia ominaisuuksia yhteen", sanoo Hideaki Sakai. "Tämä antaa meille kehyksen topologisten magneettien suunnittelun sen sijaan, että etsisimme sitä uusista materiaaleista erikseen."

Tulokset osoittavat, että homologisten sarjojen suunnittelua voidaan soveltaa topologisiin kvanttimateriaaleihin. Kerrosmäärän hallinnan ja alkuaineiden korvaamisen yhdistäminen voisi tarjota uusia tapoja luoda materiaaleja, joilla on erilaisia magneettisten ja topologisten ominaisuuksien yhdistelmiä, joilla voi olla merkitystä spintroniikassa ja kvanttiteknologioissa.

Homologisten sarjojen teorian ohjaamana tiimi aikoo jatkossa syntetisoida yhdisteitä, joilla on lisäkiderakenteita, ja etsiä uusia topologisten elektronisten ja magneettisten tilojen yhdistelmiä.

Aiheesta aiemmin:

Kaksiulotteinen topologinen materiaali toteutuu

Topologiset tilat ovat yleisempiä kuin on ajateltu

Topologisten eristeiden yhdistäminen ferrosähköisyyteen