Gli isolanti topologici agiscono come isolanti elettrici all'interno ma conducono elettricità lungo le loro superfici. I ricercatori studiano il comportamento esotico di alcuni di questi isolanti utilizzando un campo magnetico esterno per forzare gli spin ionici all'interno di un isolante topologico ad essere paralleli tra loro. Questo processo è noto come rottura della simmetria di inversione temporale. Ora, un gruppo di ricerca ha creato un isolante topologico ferromagnetico intrinseco. Ciò significa che la simmetria di inversione temporale viene interrotta senza applicare un campo magnetico. Il team ha utilizzato una combinazione di sintesi, strumenti di caratterizzazione e teoria per confermare la struttura e le proprietà dei nuovi materiali topologici magnetici. Nel processo, hanno scoperto un esotico isolante axion in MnBi₈ Te₁₃ .

I ricercatori possono utilizzare materiali topologici magnetici per realizzare forme esotiche di materia che non si vedono in altri tipi di materiale. Gli scienziati ritengono che i fenomeni esibiti da questi materiali potrebbero aiutare a far progredire la tecnologia quantistica e aumentare l'efficienza energetica dei futuri dispositivi elettronici. I ricercatori ritengono che un isolante topologico che sia intrinsecamente ferromagnetico, piuttosto che acquisirne le proprietà aggiungendo un piccolo numero di atomi magnetici, sia l'ideale per studiare nuovi comportamenti topologici. Questo perché non è necessario alcun campo magnetico esterno per studiare le proprietà del materiale. Significa anche che il magnetismo del materiale è distribuito in modo più uniforme. Tuttavia, gli scienziati hanno già affrontato sfide nella creazione di questo tipo di materiale. Questo nuovo materiale è costituito da strati di atomi di manganese, bismuto e tellurio. Potrebbe fornire opportunità per esplorare nuove fasi della materia e sviluppare nuove tecnologie. Aiuta anche i ricercatori a studiare questioni scientifiche di base sui materiali quantistici.

Il team di ricerca, guidato da scienziati dell'Università della California, Los Angeles, ha sviluppato l'isolante topologico ferromagnetico intrinseco creando un composto con strati alternati di MnBi₂ Te₄ e Bi₂ Te₃ , legato da deboli forze di attrazione tra gli strati intermedi tra le molecole. Gli scienziati hanno recentemente scoperto che MnBi₂ Te₄ è un materiale topologico naturalmente magnetico. Tuttavia, quando strati di MnBi magnetico₂ Te₄ sono impilati direttamente l'uno sull'altro, i momenti magnetici all'interno degli strati vicini puntano in direzioni opposte, rendendo il materiale antiferromagnetico nel suo insieme, perdendo gli aspetti topologici delle proprietà che sono importanti per le tecnologie. I ricercatori hanno risolto questo problema creando un nuovo composto con tre strati non magnetici di Bi₂ Te₃ tra strati di MnBi₂ Te₄ , che, combinato, crea MnBi₈ Te₁₃ . Questo design del materiale aumenta la distanza tra MnBi₂ Te₄ strati, che elimina con successo l'effetto antiferromagnetico, portando a ferromagnetismo a lungo raggio inferiore a 10,5 K con un forte accoppiamento tra magnetismo e portatori di carica.

Aspetti importanti di questa ricerca sono stati gli esperimenti di diffusione dei neutroni attraverso lo strumento DEMAND presso l'High Flux Isotope Reactor (HFIR) che ha individuato come sono disposti gli atomi all'interno del MnBi₈ Te₁₃ materiale e ne ha confermato lo stato ferromagnetico. Poiché i neutroni hanno il loro momento magnetico, possono essere usati per determinare la struttura magnetica all'interno di un materiale. Gli scienziati hanno inoltre utilizzato esperimenti di spettroscopia di fotoemissione con risoluzione angolare presso la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, una struttura per l'utente del Dipartimento dell'energia, e i primi principi, calcoli di teoria del funzionale della densità per studiare lo stato elettronico e topologico del materiale. Combinando le valutazioni di tutti questi metodi, i ricercatori sono stati in grado di convalidare le proprietà ferromagnetiche e topologiche coerenti con un isolante assonico con notevoli lacune di ibridazione superficiale e un numero di Chern non banale. + Esplora ulteriormente

Elettroni al limite:la storia di un isolante topologico magnetico intrinseco