Магнитные топологические изоляторы представляют собой экзотический класс материалов, которые проводят электроны без какого-либо сопротивления и поэтому считаются многообещающим прорывом в материаловедении. Теперь немецкие исследователи достигли важной вехи в разработке энергоэффективных квантовых технологий, разработав ферромагнитный топологический изолятор MnBi₆Te₁₀ из семейства теллуридов марганца и висмута.
Самое удивительное в новом квантовом материале — его ферромагнитные свойства проявляются только тогда, когда некоторые атомы меняются местами, внося беспорядок. Подробности о разработке опубликованы в журнале Advanced Science.
Материал-предшественник
Топологический изолятор с ферромагнитными свойствами создали на основе другого материала. В 2019 году международная исследовательская группа под руководством химика-материаловеда Анны Исаевой, в то время младшего профессора ct.qmat (Complexity and Topology in Quantum Matter), произвела фурор, изготовив первый в мире антиферромагнитный топологический изолятор — теллурид марганца-висмута (MnBi₂Te₄).
Этот материал обладает собственным внутренним магнитным полем, прокладывая путь для новых видов электронных компонентов. Они смогут хранить информацию с помощью магнитов и передавать ее по поверхности без какого-либо сопротивления. Это произведет революцию в компьютерах, сделав их более устойчивыми и энергоэффективными. С тех пор как физики открыли MnBi₂Te₄, исследователи по всему миру активно изучают различные аспекты этого многообещающего квантового материала, стремясь полностью раскрыть его потенциал.
Главное отличие нового квантового материала
В ферромагнитном материале MnBi₆Te₁₀ отдельные атомы марганца выровнены параллельно, а это означает, что все их магнитные моменты направлены в одном направлении. Напротив, в его антиферромагнитном предшественнике, MnBi₂Te₄, только магнитные моменты в пределах одного слоя материала выровнены таким образом.
Ситуацию изменило небольшое изменение химического состава кристалла. В итоге, топологический изолятор MnBi₆Te₁₀ отличается более сильным и надежным магнитным полем, чем его антиферромагнитный предшественник.
«Нам удалось изготовить квантовый материал MnBi₆Te₁₀ таким образом, что он становится ферромагнитным при температуре 12 Кельвинов. Хотя эта температура –261 °C все еще слишком низка для компьютерных компонентов, это первый шаг», — объясняет профессор Владимир Хиньков из Вюрцбурга. Именно его группа обнаружила, что поверхность материала обладает ферромагнитными свойствами, что позволяет ему проводить ток без каких-либо потерь. Примечательно, что в то время его внутренняя часть не обладает этой характеристикой.
Не только исследовательская группа ct.qmat пыталась создать ферромагнитный топологический изолятор в лаборатории. «После успеха MnBi₂Te₄ исследователи по всему миру начали поиск новых кандидатов на роль магнитных топологических изоляторов. В 2019 году четыре разные группы синтезировали MnBi₆Te₁₀, но только в нашей лаборатории этот необычный материал проявил ферромагнитные свойства», — объясняет Исаева, ныне профессор экспериментальной физики Амстердамского университета.
Беспорядок в атомной структуре
Когда химики-материаловеды из Дрездена под руководством Исаевой выяснили, как производить кристаллический материал, они сделали удивительное открытие. Оказалось, что некоторые атомы нужно было переместить из их первоначального атомного слоя. Иными словами, им надо было поменять естественное расположение в кристалле.
«Распределение атомов марганца по всем слоям кристалла заставляет окружающие атомы менять магнитный момент в том же направлении. Магнитный порядок становится заразным», — объясняет Исаева. «Атомный беспорядок, который мы наблюдаем в кристалле, обычно считается разрушительным в химии и физике. Упорядоченные атомные структуры легче рассчитать и лучше понять, но они не всегда дают желаемый результат», — добавляет Хинков. «Именно этот беспорядок является тем критическим механизмом, благодаря которому MnBi6Te10 становится ферромагнитным», — подчеркивает Исаева.
Кто проводил исследование?
Ученые ct.qmat из двух университетов TU Dresden и JMU Würzburg, а также из Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) в Дрездене вместе работали над новаторским исследованием. Кристаллы приготовили химики-материаловеды под руководством Исаевой (TU Dresden). Впоследствии объемный ферромагнетизм образцов обнаружили в IFW, где доктор Хорхе И. Фасио разработал всеобъемлющую теорию, объясняющую, как ферромагнетизм MnBi6Te10, характеризующийся беспорядком, так и его антиферромагнитные аналоги. Команда Хинкова из JMU Würzburg провела измерения жизненно важных поверхностей.
Что дальше?
В настоящее время исследователи работают над достижением ферромагнетизма при значительно более высоких температурах. Они уже добились начального прогресса, достигнув около 70 Кельвинов (-203,15 °C). Также перед учеными стоит задача увеличить сверхнизкие температуры, при которых проявляются экзотические квантовые эффекты, поскольку проводимость тока без потерь начинается только при температуре от 1 до 2 Кельвинов (от −272,15 °C до −271.15 °C).
