La struttura elettronica dei cristalli non magnetici può essere classificata da teorie complete della topologia a bande, ricorda una "tavola periodica topologica". Però, tale classificazione per i materiali magnetici è stata finora sfuggente, e quindi fino ad oggi sono stati scoperti pochissimi materiali topologici magnetici. In un nuovo studio pubblicato sulla rivista Natura , un team internazionale di ricercatori ha eseguito la prima ricerca ad alto rendimento di materiali topologici magnetici, trovando oltre 100 nuovi isolanti e semimetalli topologici magnetici.

La tavola periodica classifica gli elementi in base alle loro proprietà chimiche, come il numero di elettroni o l'elettronegatività. Questa classificazione ha portato alla previsione, e alla successiva scoperta, di nuovi elementi. Analogamente, le strutture elettroniche dei solidi cristallini non magnetici - raccolte di elementi posti con spaziature regolari - sono state recentemente classificate attraverso una "tavola periodica topologica" basata sulle teorie complete della chimica quantistica topologica e sugli indicatori basati sulla simmetria. Sulla base della topologia delle loro funzioni d'onda elettroniche, sono state identificate decine di migliaia di materiali topologici non magnetici, portando alla scoperta di migliaia di nuovi isolanti topologici.

A differenza delle loro controparti non magnetiche, i composti magnetici attualmente non possono essere classificati con metodi topologici automatizzati. Anziché, la ricerca sui materiali topologici magnetici è stata condotta ad hoc, ed è stato motivato dalle loro potenziali applicazioni come efficaci convertitori termoelettrici, componenti ad alta efficienza energetica in dispositivi microelettronici che potrebbero essere il cuore dei computer quantistici, o supporti di memorizzazione magnetici migliorati. Però, anche se i primi studi teorici sui materiali topologici e le loro proprietà nei primi anni '80 sono stati ideati nei sistemi magnetici, sforzi premiati con il Premio Nobel per la Fisica nel 2016, gli ultimi 40 anni di progressi nella scoperta di materiali topologici sono in gran parte arrivati ​​nelle aree degli isolanti topologici non magnetici e dei semimetalli.

La relativa assenza di materiali topologici magnetici candidati può essere attribuita alle complicate simmetrie dei cristalli magnetici, e alle difficoltà teoriche e sperimentali coinvolte nella modellazione e misurazione dei magneti quantistici. Primo, mentre centinaia di migliaia di composti noti sono ricercabili in base alla loro struttura cristallina in database consolidati, ci sono solo centinaia di strutture magnetiche misurate sperimentalmente disponibili nei più grandi database di materiali magnetici. Secondo, considerando che le strutture non magnetiche sono classificate in soli 230 gruppi spaziali, i materiali magnetici sono classificati da 1, 421 gruppi spaziali magnetici. "In cima a questo, in tutti i sistemi magnetici, dobbiamo anche preoccuparci degli effetti delle interazioni elettrone-elettrone, notoriamente difficili da modellare. Ciò rende il compito di prevedere i materiali topologici magnetici significativamente più complicato, anche se i numeri fossero più favorevoli, " ha detto B. Andrei Bernevig, un professore di fisica all'Università di Princeton e uno degli autori del presente studio che mira a porre rimedio a questo problema.

Nello studio, pubblicato in Natura , un team internazionale di ricercatori ha compiuto un grande passo avanti verso la scoperta di materiali magnetici con proprietà elettroniche topologiche non banali.

"La classificazione e la diagnosi della topologia a bande nei materiali magnetici chiude efficacemente il ciclo iniziato 40 anni fa in un campo la cui rilevanza è stata rafforzata dai Premi Nobel per la Fisica nel 1985 e nel 2016, " dice l'autrice Claudia Felser, direttore dell'Istituto Max Planck di Dresda.

Nel 2017, un team di ricercatori della Princeton University, l'Università dei Paesi Baschi, Istituto Max Planck, e il DIPC ha sviluppato un nuovo, completa comprensione della struttura delle bande nei materiali non magnetici. "In questa teoria, la chimica quantistica topologica (TQC), abbiamo collegato le caratteristiche topologiche di un materiale alla sua chimica sottostante. Ciò ha reso la ricerca di materiali topologici non magnetici in una forma che potrebbe essere efficacemente automatizzata, " disse Luis Elcoro, professore all'Università dei Paesi Baschi a Bilbao e coautore di entrambi gli studi. TQC rappresenta un quadro universale per prevedere e caratterizzare tutte le possibili strutture a bande e cristalline, materiali stechiometrici. TQC è stato ulteriormente applicato a 35, 000 composti non magnetici stabiliti sperimentalmente, portando alla scoperta di 15, 000 nuovi materiali topologici non magnetici.

"Abbiamo identificato migliaia di materiali topologici negli ultimi due anni, mentre solo poche centinaia sono state precedentemente identificate negli ultimi due decenni. Prima dell'applicazione di questi nuovi strumenti, la ricerca di nuovi materiali con queste proprietà sorprendenti era come cercare un ago in un pagliaio al crepuscolo. Ora, la ricerca di materiali topologici non magnetici è quasi un esercizio di routine, " disse Maia Vergniory, un assistente professore presso la IKERBASQUE Foundation for Science e il DIPC, e coautore di entrambi gli studi.

La ricerca attuale si è sempre più focalizzata sui composti magnetici. Pochissimi materiali magnetici sono stati teoricamente proposti per ospitare fasi topologiche magnetiche antiferromagnetiche, e solo una manciata è stata ulteriormente confermata sperimentalmente. "È necessaria una teoria equivalente a TQC per ottenere un successo comparabile nello studio dei materiali magnetici. Tuttavia, perché ci sono più di mille gruppi di simmetria magnetica da considerare, il problema è essenzialmente intrattabile con la forza bruta, " ha detto Benjamin Wieder, un ricercatore post-dottorato presso il Massachusetts Institute of Technology e Princeton, e autore del presente studio.

I ricercatori hanno affrontato due ostacoli principali nel riprodurre il successo ottenuto con materiali non magnetici:da un lato, doveva essere chiarito il meccanismo teorico necessario per analizzare la topologia a banda di un dato materiale magnetico. "Vediamo il set completo di strumenti come un edificio. Mentre i materiali non magnetici rappresentavano una robusta casa di città, la teoria completa dei materiali magnetici era essenzialmente un grattacielo incompiuto, " disse Zhida Song, un ricercatore post-dottorato a Princeton e autore del nuovo studio.

Per la scoperta di materiale topologico, un altro problema è che il numero di materiali magnetici la cui struttura magnetica è nota in dettaglio affidabile è piuttosto ridotto. "Mentre ne avevamo 200, 000 composti non magnetici da analizzare, il più grande database di strutture magnetiche misurate sperimentalmente ha circa 1, 000 voci. Solo nell'ultimo decennio gli scienziati hanno seriamente tentato di classificare e raccogliere i dati strutturali di questi materiali magnetici, " aggiunge l'autore Nicolas Regnault, professore all'Ecole Normale Supérieure, CNRS, e Princeton.

"Per fortuna, abbiamo avuto il lavoro assiduo delle persone dietro il database delle strutture magnetiche del server cristallografico di Bilbao, che ci ha permesso di inserire i dati iniziali corretti nei nostri modelli teorici, " disse Yuanfeng Xu, un ricercatore post-dottorato presso il Max Planck Institute di Halle, e il primo autore del presente studio. Le informazioni magnetiche sono ospitate nel server cristallografico di Bilbao, che è in parte sviluppato dal Prof. Elcoro.

Dopo una selezione dei migliori potenziali candidati, il team ha analizzato 549 strutture magnetiche applicando prima metodi ab-initio per ottenere le simmetrie magnetiche delle funzioni d'onda elettroniche, e quindi costruire un'estensione magnetica di TQC per determinare quali strutture magnetiche ospitavano una topologia a banda elettronica non banale. "Alla fine, abbiamo scoperto che la proporzione dei materiali magnetici topologici (130 su 549) in natura sembra essere simile alla proporzione nei composti non magnetici, " ha aggiunto il dottor Xu.

Nonostante il basso numero assoluto di composti magnetici rispetto alle migliaia di materiali non magnetici studiati finora, gli autori hanno trovato una diversità ancora più ampia di caratteristiche affascinanti. "Il numero di manopole per intriganti studi sperimentali, come il controllo delle transizioni di fase topologiche, sembra essere più grande nei materiali magnetici, " ha detto il dottor Xu. "Ora che abbiamo previsto nuovi materiali topologici magnetici, il passo successivo è verificare sperimentalmente le loro proprietà topologiche, " ha aggiunto l'autore Yulin Chen, un professore a Oxford e Shanghai Tech.

I ricercatori hanno anche creato un database online per accedere liberamente ai risultati del presente studio - http://www.topologicalquantumchemistry.fr/magnetic. Utilizzando diversi strumenti di ricerca, gli utenti possono esplorare le proprietà topologiche delle oltre 500 strutture magnetiche analizzate. "Abbiamo gettato le basi di un catalogo di strutture magnetiche topologiche. La standardizzazione dell'uso della simmetria magnetica in contesti sperimentali e teorici, accompagnata dalla diffusa adozione degli strumenti sviluppati in questo lavoro, si prevede che nei prossimi anni porterà a un'esplosione ancora più grande di scoperte nei materiali topologici magnetici, ", ha detto Bernevig.