De zogenaamde topologische isolatoren zijn die materialen die in bulk isolatoren zijn, d.w.z., degenen die geen elektrische stromen in hun volume toestaan, maar dat zijn geleiders op hun oppervlak. In tegenstelling tot de gebruikelijke dirigenten, dat is, metalen, de elektrische stroom die in een topologische isolator circuleert, lijdt geen energieverlies. Deze eigenschap opent grote mogelijkheden voor toepassing in elektronica, omdat het de fabricage van efficiëntere, snellere en energiezuinige apparaten. Dit is een even wenselijke als noodzakelijke doelstelling in het huidige scenario van een snelle opmars van de wereldwijde vraag naar energie, die onze omgeving bedreigt. Juist om die reden, de ontdekking van topologische isolatoren ongeveer tien jaar geleden veroorzaakte een wereldwijde onderzoekshausse op het gebied van nanotechnologie en fysica van gecondenseerde materie.

Met technologische toepassingen in het achterhoofd, bijvoorbeeld op het gebied van informatietechnologieën, een van de uitdagingen tijdens deze jaren van intensief onderzoek was het creëren van een magnetische topologische isolator. Tot dusver, magnetische topologische isolatoren waren alleen gecreëerd via de zogenaamde extrinsieke route, die bestaat uit het doteren van niet-magnetische topologische isolatoren met magnetische atomen. Echter, dankzij de inspanningen van een groep onderzoekers van het Materials Physics Centre (CFM, CSIC-UPV/EHU gezamenlijk centrum), Donostia International Physics Centre (DIPC) en de Universiteit van Baskenland (UPV/EHU), het is nu mogelijk om een ​​intrinsieke magnetische topologische isolator te laten groeien, dat is, een die van nature magnetische eigenschappen heeft.

Het team dat bestaat uit DIPC-onderzoekers Mikhail Otrokov (CFM Ikerbasque Research Fellow), Evgueni Chulkov (UPV/EHU, Euskadi Onderzoeksprijs 2019), María Blanco Rey (UPV/EHU) en Pedro M. Echenique (UPV/EHU, DIPC-voorzitter), heeft theoretisch de eerste intrinsieke magnetische topologische isolator voorspeld, met chemische formule MnBi ₂ Te ₄ . De sleutel tot het succes van deze voorspelling was de enorme hoeveelheid ervaring die deze groep wetenschappers heeft op het gebied van topologische isolatoren, magnetisme en materiaalkunde in het algemeen. De Ikerbaskische fellow en leider van dit onderzoek, Michail Otrokov, stelt dat "eerder werk vanuit verschillende benaderingen ons tot de conclusie heeft geleid dat de intrinsieke route tegenwoordig de enige haalbare was. Toen, we hebben onze inspanningen gericht op het vinden van een intrinsieke magnetische topologische isolator op basis van onze eerdere ervaring. Dankzij dat, we wisten welke kristallijne structuur en atomaire samenstelling zo'n materiaal zou moeten hebben."

Donostia (Baskenland, Spanje) is niet alleen de plaats waar de theoretische voorspelling van deze eerste magnetische topologische isolator is uitgevoerd, maar het is ook het basiskamp geweest van waaruit de experimentele bevestiging is gecoördineerd. Bij dit werk zijn experts op verschillende gebieden betrokken, van toonaangevende onderzoekscentra in Rusland, Azerbeidzjan, Duitsland, Oostenrijk, Japan, Italië en de VS. De resultaten van dit onderzoek worden deze week gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Natuur . Otrokov heeft uitgelegd dat voor experimentele bevestiging, de eerste stap was de synthese van de samengestelde kristallen door deskundigen op het gebied van chemische synthese. Eenmaal gesynthetiseerd, de monsters werden onderworpen aan een groot aantal karakteriseringsexperimenten - structureel, magnetisch, elektronisch, van vervoer, van atomaire samenstelling, enz. - totdat de voorspelde kenmerken werden waargenomen en geverifieerd.

De resultaten van de studie, die al was verspreid via een open-access server en lezingen gegeven door de auteurs op internationale conferenties, zijn goed ontvangen door de internationale wetenschappelijke gemeenschap. Momenteel, MnBi ₂ Te ₄ en andere daarop gebaseerde materialen worden bestudeerd in verschillende onderzoekscentra, die van de VS en China vertonen de meest intense activiteit.

"MnBi ₂ Te ₄ , behalve dat het een intrinsieke magnetische topologische isolator is, bleek antiferromagnetisch te zijn, precies zoals we hadden berekend, Blanco vertelt ons. Antiferromagnetisme bestaat uit een magnetische orde op atomaire schaal, zodat het materiaal geen netto magnetisatie heeft. Als resultaat, deze materialen zijn veel robuuster tegen verstoringen door magneten.

Dit kristal bestaat uit mangaan (Mn), Bismuth (Bi) en Tellurium (Te) hebben zowel op fundamenteel als technologisch vlak een groot potentieel. Het is extreem rijk aan exotische eigenschappen, bijvoorbeeld, zoals de verschillende Hall-effecten, inclusief de kwantum, waarvan sommige worden gebruikt bij de kalibratie van fysieke constanten vanwege de uitzonderlijke precisie. In aanvulling, MnBi ₂ Te ₄ kan worden gebruikt om het zogenaamde Majorana-fermion te maken. Dit is een soort deeltje, een quasi-deeltje om precies te zijn, dat wordt beschouwd als de hoeksteen van quantum computing.

Hetzelfde, MnBi ₂ Te ₄ is het eerste intrinsieke materiaal waarvoor een elektromagnetische respons wordt voorspeld die erg lijkt op die van een axion. Een axion is een hypothetisch deeltje gepostuleerd in het kader van de kwantumchromodynamica, en het is een goede kandidaat om het probleem van donkere materie op te lossen. Daarom zijn er veel experimenten die juist gericht zijn op het detecteren van signalen van axion-achtig gedrag in de familie van deze verbinding.

Wat betreft de praktische toepassingen, verschillende apparaten op basis van magnetische topologische isolatoren zijn al gepatenteerd. Bijvoorbeeld, MnBi ₂ Te ₄ zou kunnen worden gebruikt in chirale interconnect-apparaten, die superieure prestaties beloven in vergelijking met de gewone koperverbindingen die momenteel worden gebruikt in commercieel verkrijgbare geïntegreerde schakelingen. Enkele andere toepassingen zijn optische modulatoren, magneetveldsensoren en geheugenelementen.

De onderzoekers die in Donostia werken, samen met hun netwerk van internationale medewerkers, verwacht te kunnen observeren in MnBi ₂ Te ₄ enkele van de hierboven genoemde exotische verschijnselen, en ontdek nieuwe intrinsieke magnetische topologische isolatoren met zelfs superieure eigenschappen dan die van MnBi ₂ Te ₄ .