De elektronische structuur van niet-magnetische kristallen kan worden geclassificeerd door complete theorieën over bandtopologie, doet denken aan een "topologisch periodiek systeem". Echter, een dergelijke classificatie voor magnetische materialen is tot nu toe ongrijpbaar geweest, en daarom zijn tot op heden zeer weinig magnetische topologische materialen ontdekt. In een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , een internationaal team van onderzoekers heeft de eerste high-throughput zoektocht naar magnetische topologische materialen uitgevoerd, het vinden van meer dan 100 nieuwe magnetische topologische isolatoren en halfmetalen.

Het periodiek systeem classificeert elementen op basis van hun chemische eigenschappen, zoals het aantal elektronen of elektronegativiteit. Deze classificatie heeft geleid tot de voorspelling - en daaropvolgende ontdekking - van nieuwe elementen. analoog, de elektronische structuren van niet-magnetische kristallijne vaste stoffen - verzamelingen van elementen die met regelmatige tussenruimten zijn geplaatst - zijn onlangs geclassificeerd via een "topologisch periodiek systeem" op basis van de volledige theorieën van topologische kwantumchemie en op symmetrie gebaseerde indicatoren. Gebaseerd op de topologie van hun elektronische golffuncties, tienduizenden niet-magnetische topologische materialen zijn geïdentificeerd, wat leidde tot de ontdekking van duizenden nieuwe topologische isolatoren.

In tegenstelling tot hun niet-magnetische tegenhangers, magnetische verbindingen kunnen momenteel niet worden geclassificeerd door geautomatiseerde topologische methoden. In plaats daarvan, ad hoc onderzoek naar magnetische topologische materialen is uitgevoerd, en is gemotiveerd door hun potentiële toepassingen als effectieve thermo-elektrische omvormers, energie-efficiënte componenten in micro-elektronische apparaten die de kern zouden kunnen vormen van kwantumcomputers, of verbeterde magnetische opslagmedia. Echter, hoewel de eerste theoretische studies van topologische materialen en hun eigenschappen in het begin van de jaren tachtig werden bedacht in magnetische systemen - inspanningen die in 2016 werden bekroond met de Nobelprijs voor natuurkunde, de afgelopen 40 jaar van vooruitgang in de ontdekking van topologische materialen zijn grotendeels te vinden op het gebied van niet-magnetische topologische isolatoren en halfmetalen.

De relatieve afwezigheid van kandidaat-magnetische topologische materialen kan worden toegeschreven aan de gecompliceerde symmetrieën van magnetische kristallen, en tot de theoretische en experimentele moeilijkheden bij het modelleren en meten van kwantummagneten. Eerst, terwijl honderdduizenden bekende verbindingen doorzoekbaar zijn op basis van hun kristalstructuur in gevestigde databases, er zijn slechts honderden experimenteel gemeten magnetische structuren beschikbaar in de grootste databases van magnetische materialen. Tweede, overwegende dat de niet-magnetische structuren zijn ingedeeld in slechts 230 ruimtegroepen, magnetische materialen worden geclassificeerd door de 1, 421 magnetische ruimtegroepen. "Daar bovenop in alle magnetische systemen, we moeten ons ook zorgen maken over de effecten van elektron-elektron-interacties, die notoir moeilijk te modelleren zijn. Dit maakt het voorspellen van magnetische topologische materialen aanzienlijk gecompliceerder, zelfs als de cijfers gunstiger waren, " zei B. Andrei Bernevig, een professor in de natuurkunde aan de Princeton University en een van de auteurs van de huidige studie die tot doel heeft dit probleem te verhelpen.

In de studie, gepubliceerd in Natuur , een internationaal team van onderzoekers heeft een grote stap gezet in de richting van de ontdekking van magnetische materialen met niet-triviale topologische elektronische eigenschappen.

"De classificatie en diagnose van bandtopologie in magnetische materialen sluit effectief de cirkel die 40 jaar geleden begon in een veld waarvan de relevantie is versterkt door de Nobelprijzen voor natuurkunde in 1985 en 2016, " zegt auteur Claudia Felser, directeur van het Max Planck Instituut in Dresden.

in 2017, een team van onderzoekers van Princeton University, de Universiteit van Baskenland, Max Planck Instituut, en de DIPC ontwikkelde een nieuwe, volledig begrip van de structuur van banden in niet-magnetische materialen. "In deze theorie - topologische kwantumchemie (TQC) - koppelden we de topologische kenmerken van een materiaal aan de onderliggende chemie. Dit maakte het zoeken naar niet-magnetische topologische materialen in een vorm die effectief kon worden geautomatiseerd, " zei Luis Elcoro, een professor aan de Universiteit van Baskenland in Bilbao en een co-auteur van beide studies. TQC vertegenwoordigt een universeel raamwerk voor het voorspellen en karakteriseren van alle mogelijke bandstructuren en kristallijne, stoichiometrische materialen. TQC werd verder toegepast op 35, 000 experimenteel vastgestelde niet-magnetische verbindingen, wat leidde tot de ontdekking van 15, 000 nieuwe niet-magnetische topologische materialen.

"We hebben de afgelopen twee jaar duizenden topologische materialen geïdentificeerd, terwijl er in de afgelopen twee decennia slechts een paar honderd werden geïdentificeerd. Voorafgaand aan de toepassing van deze nieuwe tools, de zoektocht naar nieuwe materialen met deze verbazingwekkende eigenschappen was als zoeken naar een speld in een hooiberg in de schemering. Nutsvoorzieningen, zoeken naar niet-magnetische topologische materialen is bijna een routineoefening, " zei Maia Vergniory, een assistent-professor aan de IKERBASQUE Foundation for Science en het DIPC, en een co-auteur van beide studies.

Het huidige onderzoek is in toenemende mate gericht op magnetische verbindingen. Zeer weinig magnetische materialen zijn theoretisch voorgesteld om antiferromagnetische magnetische topologische fasen te hosten, en slechts een handvol is verder experimenteel bevestigd. "Een theorie die equivalent is aan TQC is nodig om vergelijkbaar succes te behalen in de studie van magnetische materialen. omdat er meer dan duizend magnetische symmetriegroepen zijn om te overwegen, het probleem is in wezen onoplosbaar met brute kracht, " zei Benjamin Wieder, een postdoctoraal onderzoeker aan het Massachusetts Institute of Technology en Princeton, en een auteur van de huidige studie.

De onderzoekers werden geconfronteerd met twee belangrijke obstakels bij het reproduceren van het succes dat is bereikt met niet-magnetische materialen:aan de ene kant, de theoretische machinerie die nodig is om de bandtopologie van een bepaald magnetisch materiaal te analyseren, moest worden opgehelderd. "We zien de complete set gereedschappen als een gebouw. ​​Terwijl de niet-magnetische materialen een stevig herenhuis vertegenwoordigden, de complete theorie van magnetische materialen was in wezen een onvoltooide wolkenkrabber, " zei Zhida Song, een postdoctoraal onderzoeker aan Princeton en een auteur van de nieuwe studie.

Voor topologische materiaalontdekking, een ander probleem is dat het aantal magnetische materialen waarvan de magnetische structuur in betrouwbaar detail bekend is, vrij klein is. "Terwijl we 200 hadden, 000 niet-magnetische verbindingen om te analyseren, de grootste database van experimenteel gemeten magnetische structuren heeft ongeveer 1, 000 inzendingen. Pas in het laatste decennium hebben wetenschappers serieus geprobeerd de structurele gegevens van deze magnetische materialen te classificeren en te verzamelen, " voegt auteur Nicolas Regnault toe, een professor aan de Ecole Normale Supérieure, CNRS, en Princeton.

"Gelukkig, we hadden het ijverige werk van de mensen achter de database met magnetische structuren van de Bilbao Crystallographic Server, waardoor we de juiste initiële gegevens in onze theoretische modellen konden invoeren, " zei Yuanfeng Xu, een postdoctoraal onderzoeker aan het Max Planck Instituut in Halle, en de eerste auteur van de huidige studie. De magnetische informatie wordt gehost in de Bilbao Crystallographic Server, die gedeeltelijk is ontwikkeld door Prof. Elcoro.

Na een selectie van de beste potentiële kandidaten, het team analyseerde 549 magnetische structuren door eerst ab-initio-methoden toe te passen om de magnetische symmetrieën van de elektronische golffuncties te verkrijgen, en vervolgens een magnetische uitbreiding van TQC te bouwen om te bepalen welke magnetische structuren niet-triviale elektronische bandtopologie bevatten. "Uiteindelijk, we hebben ontdekt dat het aandeel van topologische magnetische materialen (130 van de 549) in de natuur vergelijkbaar lijkt te zijn met het aandeel in niet-magnetische verbindingen, " voegde Dr. Xu eraan toe.

Ondanks het lage absolute aantal magnetische verbindingen in vergelijking met de duizenden niet-magnetische materialen die tot nu toe zijn bestudeerd, de auteurs hebben een nog grotere diversiteit aan fascinerende kenmerken gevonden. "Het aantal knoppen voor intrigerende experimentele studies, zoals het regelen van topologische faseovergangen, lijkt groter te zijn in magnetische materialen, " zei Dr. Xu. "Nu we nieuwe magnetische topologische materialen hebben voorspeld, de volgende stap is om hun topologische eigenschappen experimenteel te verifiëren, " voegde auteur Yulin Chen toe, een professor aan Oxford en Shanghai Tech.

De onderzoekers hebben ook een online database gecreëerd voor vrije toegang tot de resultaten van de huidige studie - http://www.topologicalquantumchemistry.fr/magnetic. Met behulp van verschillende zoekhulpmiddelen, de gebruikers kunnen de topologische eigenschappen van de meer dan 500 geanalyseerde magnetische structuren verkennen. "We hebben de basis gelegd voor een catalogus van topologische magnetische structuren. De standaardisatie van het gebruik van magnetische symmetrie in experimentele en theoretische instellingen, vergezeld van de wijdverbreide toepassing van de in dit werk ontwikkelde instrumenten, zal naar verwachting leiden tot een nog grotere uitbarsting van ontdekkingen in magnetische topologische materialen in de komende jaren, ' zei Bernevig.