Wetenschappers van het Max Planck Institute Chemical Physics of Solids hebben een overzichtsartikel geschreven over magnetische topologische materialen in de familie van Heusler-verbindingen. De recensie legt het verband uit tussen topologie, symmetrie en magnetisme op een niveau dat geschikt is voor niet-gegradueerde studenten natuurkunde, scheikunde en materiaalkunde met een basiskennis van de fysica van de gecondenseerde materie.

Fritz Heusler (1866-1947), Hermann Weyl (1885-1955) en Michael Berry (1941-) zijn drie gerenommeerde wetenschappers wiens werk heeft geleid tot nieuwe en belangrijke inzichten in de materiaalwetenschap, topologie en fysica van de gecondenseerde materie. Deze drie wetenschapsgebieden zijn onlangs samengekomen met de ontdekking van nieuwe en opwindende kwantumeigenschappen in nieuwe materiaalklassen die nieuwe wetenschap mogelijk zouden kunnen maken, waaronder computertechnologieën en katalyse.

Heusler is de naam van de ontdekker van voornamelijk magnetische verbindingen die al geruime tijd geleden interessant waren. Maar onlangs werd ontdekt dat deze verbindingen niet-triviale topologische eigenschappen bezitten die een groot veld van nieuwe fysica openen. Verborgen in de energiebandstructuur van deze materialen zijn singuliere punten die kunnen worden beschreven met wiskundige hulpmiddelen die afkomstig zijn van Weyl; deze punten worden geassocieerd met de ontdekking van quasi-deeltjes die nu Weyl-fermionen worden genoemd. Ze worden niet gevonden onder de elementaire deeltjes van de hoge-energiefysica, maar we geloven dat ze bestaan ​​in vaste materialen en bepalen hun topologie. De derde naam Berry staat voor de meetbare effecten die de aanwezige fysica onthullen. Onder bepaalde goed gedefinieerde omstandigheden bestaat er een vectorveld, vergelijkbaar met het magnetische veld, de Berry-kromming genoemd. Het bepaalt de omvang van een aantal belangrijke effecten, zoals het afwijkende Hall-effect en het Spin Hall-effect. Het is de kunst van de experimentator om de materialen op de juiste manier aan te passen om de Berry-kromming af te stemmen en zo de topologie zichtbaar te maken. In dit overzicht worden een groot aantal voorbeelden gegeven voor verschillende symmetrie-eigenschappen van Heusler-verbindingen, een grote klasse materialen die gemakkelijk kunnen worden afgestemd om ferromagnetische, antiferromagnetisch, niet-collineaire of gecompenseerde magnetische orde. Deze magnetische ordeningen geven aanleiding tot uitgesproken elektrische en thermo-elektrische effecten waarvan de vingerafdrukken worden blootgelegd en verklaard, inclusief deeltjesachtige vortex-spinstructuren, de antiskyrmionen die typerend zijn voor een bepaalde subset van Heusler-verbindingen.

Gezien het grote aantal bestaande anorganische verbindingen en het recentelijk voorgestelde grote aantal niet-magnetische topologische materialen, Heusler-verbindingen dienen als een modelsysteem voor het begrip en de impact van magnetisme op de topologie. Het doorbreken van tijdomkeringssymmetrie via magnetisme of een extern magnetisch veld kan leiden tot nog grotere effecten dan in niet-magnetische materialen op basis van de grote scheiding tussen Weyl-punten van verschillende chiraliteiten. Op basis van een systematische studie van Heusler-materialen voorspellen we dat er een enorm aantal magnetische topologische materialen wachten om ontdekt te worden.

Wat toepassingen betreft, het grote Nernst-effect en klassieke en kwantum Hall-effecten rond kamertemperatuur op basis van de hoge Curie-temperaturen van Heusler-verbindingen en hun verwanten hebben het potentieel om een ​​grote impact te hebben op energieconversie en kwantumelektronische apparaten voor spintronica of kwantumcomputers.