En 2019, un equipo de investigación internacional encabezado por la química de materiales Anna Isaeva, que en ese momento era profesora junior en i.qmat (Complejidad y Topología en Materia Cuántica), causó revuelo al fabricar el primer aislador topológico ferromagnético del mundo: telururo de manganeso y bismuto (MnBi).2t4). Este notable material tiene su propio campo magnético interno, allanando el camino para nuevos tipos de componentes electrónicos que pueden almacenar y transmitir información magnéticamente en una superficie sin ninguna resistencia. Esto podría revolucionar las computadoras haciéndolas más sostenibles y energéticamente eficientes. Desde entonces, investigadores de todo el mundo han estado estudiando activamente varios aspectos de este material cuántico prometedor, ansiosos por desbloquear todo su potencial.
Gran logro con MnBi6t10
Basado en MnBi previamente descubierto2t4equipo de i.qmat ahora ha diseñado un aislador topológico con propiedades ferromagnéticas conocido como MnBi6t10. En los materiales ferromagnéticos, los átomos individuales de manganeso están alineados magnéticamente en paralelo, lo que significa que todos sus momentos magnéticos apuntan en la misma dirección. Por el contrario, en su predecesor antiferromagnético, MnBi2t4Solo los momentos magnéticos dentro de una sola capa del material se alinean de esta manera. Un ligero cambio en la composición química del cristal tiene un efecto significativo, ya que el aislante topológico ferromagnético MnBi6t10 Exhibe un campo magnético más fuerte y poderoso que su predecesor antimagnético. «Hemos conseguido sintetizar materia cuántica de MnBi6t10 De modo que se vuelve ferromagnético a 12 K. Aunque esta temperatura de -261 °C es todavía muy baja para los componentes de la computadora, este es el primer paso en un largo viaje de desarrollo», explica el profesor Vladimir Henkov de Würzburg. Fue su grupo el que descubrió que la superficie de la materia muestra propiedades ferromagnéticas, permitiéndole conducir corriente sin ninguna pérdida, mientras que sus suelas no comparten esta propiedad.
La carrera por la sustancia milagrosa
el i.El equipo de investigación de qmat no estaba solo en su objetivo de crear un aislador topológico ferromagnético en el laboratorio. Después del notable éxito de MnBi2t4, investigadores de todo el mundo comenzaron a buscar más candidatos para aisladores topológicos magnéticos. En 2019, cuatro grupos diferentes sintetizaron MnBi6t10pero solo en nuestro laboratorio este material inusual mostró propiedades ferromagnéticas”, explica Isaeva, quien ahora es profesora de física experimental en la Universidad de Amsterdam.
Antidesorden de la estructura atómica
Cuando los químicos de materiales de Dresde, dirigidos por Isaeva, descubrieron minuciosamente cómo producir la sustancia cristalina en un proceso similar al trabajo de detective, hicieron un descubrimiento sorprendente. Resulta que algunos de los átomos necesitaban ser reposicionados desde su capa atómica original, lo que significaba que tenían que dejar su disposición original en el cristal. «La distribución de los átomos de manganeso en todas las capas de cristal hace que los átomos de manganeso circundantes giren su momento magnético en la misma dirección. El orden magnético se vuelve contagioso», explica Isaeva. «El desorden antiatómico, el fenómeno que vemos en nuestro cristal, generalmente se considera destructivo en química y física. Las estructuras atómicas ordenadas son más fáciles de calcular y comprender mejor, pero no siempre dan el resultado deseado», agrega Henkoff. «Este trastorno particular es el mecanismo crítico que permite que MnBi6t10 Para convertirse en un ferroimán”, confirma Isaeva.
Una red colaborativa para las últimas investigaciones
i.Científicos de qmat de TU Dresden y JMU Würzburg, así como del Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) en Dresden colaboraron en esta investigación pionera. Los cristales fueron preparados por un equipo de químicos de materiales encabezado por Isaeva (TU Dresden). Posteriormente, el ferromagnetismo a granel de las muestras se reveló en el IFW, donde el Dr. Jorge I. Facio también desarrolló una teoría integral que explica tanto el ferromagnetismo de MnBi como6t10 Presentan antiperturbación y sus homólogos antiferromagnéticos. El equipo de Hinkov en JMU Würzburg realizó biometría de superficie.
Los investigadores están trabajando actualmente para lograr ferromagnetismo a temperaturas mucho más altas. Ya han hecho un progreso inicial, llegando a alrededor de 70 K. Al mismo tiempo, se deben aumentar las temperaturas muy bajas a las que aparecen los efectos cuánticos exóticos, ya que la conducción de corriente sin pérdidas comienza en solo 1 a 2 K.
Grupo de Excelencia ct.qmat
grupo de excelencia i.qmat – Complejidad y topología en materia cuántica Ha sido administrado conjuntamente por Julius-Maximilians-Universität Würzburg y Technische Universität Dresden desde 2019. Casi 400 científicos de más de 30 países y cuatro continentes están estudiando materiales de topología cuántica que revelan fenómenos sorprendentes en condiciones extremas, como temperaturas extremadamente bajas y alta presión. , o fuertes campos magnéticos. i.qmat está financiado por la estrategia de excelencia alemana de los gobiernos federal y estatal y es el único grupo de excelencia que tiene su sede en dos estados federales diferentes.
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