Topologische isolatoren werken aan de binnenkant als elektrische isolatoren, maar geleiden elektriciteit langs hun oppervlakken. Onderzoekers bestuderen het exotische gedrag van enkele van deze isolatoren met behulp van een extern magnetisch veld om de ionenspins in een topologische isolator parallel aan elkaar te dwingen. Dit proces staat bekend als het breken van de tijdomkeringssymmetrie. Nu heeft een onderzoeksteam een ​​intrinsieke ferromagnetische topologische isolator gecreëerd. Dit betekent dat de tijdomkeersymmetrie wordt verbroken zonder een magnetisch veld aan te leggen. Het team gebruikte een combinatie van synthese, karakteriseringstools en theorie om de structuur en eigenschappen van nieuwe magnetische topologische materialen te bevestigen. Daarbij ontdekten ze een exotische axion-isolator in MnBi₈ Te₁₃ .

Onderzoekers kunnen magnetische topologische materialen gebruiken om exotische vormen van materie te realiseren die niet worden gezien in andere soorten materiaal. Wetenschappers zijn van mening dat de verschijnselen die deze materialen vertonen, de kwantumtechnologie kunnen helpen bevorderen en de energie-efficiëntie van toekomstige elektronische apparaten kunnen verhogen. Onderzoekers geloven dat een topologische isolator die inherent ferromagnetisch is, in plaats van zijn eigenschappen te verkrijgen door kleine aantallen magnetische atomen toe te voegen, ideaal is voor het bestuderen van nieuw topologisch gedrag. Dit komt omdat er geen extern magnetisch veld nodig is om de eigenschappen van het materiaal te bestuderen. Het betekent ook dat het magnetisme van het materiaal gelijkmatiger wordt verdeeld. Wetenschappers hebben echter eerder voor uitdagingen gestaan ​​bij het maken van dit soort materiaal. Dit nieuwe materiaal bestaat uit lagen mangaan-, bismut- en telluriumatomen. Het zou kansen kunnen bieden voor het verkennen van nieuwe fasen van materie en het ontwikkelen van nieuwe technologieën. Het helpt onderzoekers ook bij het bestuderen van fundamentele wetenschappelijke vragen over kwantummaterialen.

Het onderzoeksteam, geleid door wetenschappers van de Universiteit van Californië, Los Angeles, ontwikkelde de intrinsieke ferromagnetische topologische isolator door een verbinding te maken met afwisselende lagen van MnBi₂ Te₄ en Bi₂ Te₃ , gebonden door zwakke aantrekkingskracht tussen moleculen tussen de lagen. Wetenschappers hebben onlangs ontdekt dat MnBi₂ Te₄ is een natuurlijk magnetisch topologisch materiaal. Wanneer echter lagen magnetische MnBi₂ Te₄ direct op elkaar zijn gestapeld, wijzen de magnetische momenten in aangrenzende lagen in tegengestelde richtingen, waardoor het materiaal als geheel antiferromagnetisch wordt, waardoor de topologische aspecten van de eigenschappen die belangrijk zijn voor technologieën verloren gaan. De onderzoekers losten dit probleem op door een nieuwe verbinding te maken met drie niet-magnetische lagen Bi₂ Te₃ tussen lagen van MnBi₂ Te₄ , die, gecombineerd, MnBi₈ . creëert Te₁₃ . Dit materiaalontwerp vergroot de afstand tussen de MnBi₂ Te₄ lagen, waardoor het antiferromagnetische effect met succes wordt geëlimineerd, wat leidt tot ferromagnetisme op lange afstand onder 10,5 K met een sterke koppeling tussen magnetisme en ladingsdragers.

Belangrijke aspecten van dit onderzoek waren neutronenverstrooiingsexperimenten door het DEMAND-instrument van de High Flux Isotope Reactor (HFIR) die aantoonden hoe atomen zijn gerangschikt binnen de MnBi₈ Te₁₃ materiaal en bevestigde zijn ferromagnetische toestand. Omdat neutronen hun eigen magnetisch moment hebben, kunnen ze worden gebruikt om de magnetische structuur in een materiaal te bepalen. De wetenschappers gebruikten bovendien hoek-opgeloste foto-emissie spectroscopie-experimenten bij de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, een Department of Energy gebruikersfaciliteit, en eerste-principes, dichtheidsfunctionaaltheorieberekeningen om de elektronische en topologische toestand van het materiaal te onderzoeken. Door de beoordelingen van al deze methoden te combineren, waren de onderzoekers in staat om de ferromagnetische en topologische eigenschappen te valideren die consistent zijn met een axion-isolator met aanzienlijke oppervlaktehybridisatiehiaten en een niet-triviaal Chern-nummer. + Verder verkennen

Elektronen aan de rand:het verhaal van een intrinsieke magnetische topologische isolator