De kenmerken van een nieuwe, ijzerhoudend type materiaal waarvan wordt gedacht dat het toekomstige toepassingen zal hebben in nanotechnologie en spintronica, is vastgesteld aan de Purdue University.

Het inheemse materiaal, een topologische isolator, is een ongebruikelijk type driedimensionaal (3D) systeem dat de interessante eigenschap heeft dat het de kristalstructuur niet significant verandert wanneer het elektronische fasen verandert - in tegenstelling tot water, bijvoorbeeld, die van ijs naar vloeistof naar stoom gaat. Belangrijker, het materiaal heeft een elektrisch geleidend oppervlak maar een niet-geleidende (isolerende) kern.

Echter, zodra ijzer in het oorspronkelijke materiaal is geïntroduceerd, tijdens een proces dat doping wordt genoemd, bepaalde structurele herschikkingen en magnetische eigenschappen verschijnen die zijn gevonden met krachtige rekenmethoden.

"Deze nieuwe materialen, deze topologische isolatoren, hebben nogal wat aandacht getrokken omdat ze nieuwe toestanden van materie vertonen, " zei Jorge Rodriguez, universitair hoofddocent natuurkunde en sterrenkunde.

"De toevoeging van ijzerionen introduceert nieuwe magnetische eigenschappen die topologische isolatoren nieuwe potentiële technologische toepassingen geven, " zei Rodriguez. "Met de toevoeging van magnetische doteermiddelen aan topologische isolatoren, zoals ijzerionen, nieuwe fysische verschijnselen worden verwacht als gevolg van de combinatie van topologische en magnetische eigenschappen."

in 2016, drie wetenschappers ontvingen de Nobelprijs voor de natuurkunde voor hun werk aan verwante materialen.

Maar ondanks alle fascinatie en belofte van ijzerhoudende topologische isolatoren, het gebruik van deze materialen in nanotechnologie vereist meer begrip over hoe hun structurele, elektronische en magnetische eigenschappen werken samen.

Rodriguez zei dat zijn werk supercomputers gebruikt om Mössbauer-spectroscopie uit te leggen, een techniek die zeer kleine structurele en elektronische configuraties detecteert, om te begrijpen wat andere wetenschappers experimenteel hebben waargenomen op ijzersystemen.

"Door de wetten van de kwantummechanica te gebruiken in een computeromgeving, konden we een modelleringstechniek gebruiken die densiteitsfunctionaaltheorie wordt genoemd, die de basisvergelijkingen van de kwantummechanica voor dit materiaal oplost, en we waren in staat om de experimentele resultaten volledig te verklaren, " zei Rodriguez. "Voor de eerste keer waren we in staat om een ​​verband vast te stellen tussen de experimentele gegevens geproduceerd door Mössbauer-spectroscopie, en de 3D-structuur van dit materiaal. Dit nieuwe begrip van het topologische materiaal zal het voor ingenieurs gemakkelijker maken om het in nieuwe toepassingen te gebruiken."

Het werk is gepubliceerd in Fysieke beoordeling B .