Le désordre conduit à un isolant topologique ferromagnétique

Jalon franchi avec MnBi₆Te_dix

Basé sur le MnBi découvert précédemment₂Te₄une équipe de ct.qmat a maintenant conçu un isolant topologique aux propriétés ferromagnétiques connu sous le nom de MnBi₆Te_dix. Dans les matériaux ferromagnétiques, les atomes de manganèse individuels sont magnétiquement alignés en parallèle, ce qui signifie que tous leurs moments magnétiques pointent dans la même direction. En revanche, dans son prédécesseur antiferromagnétique, MnBi₂Te₄, seuls les moments magnétiques au sein d’une seule couche du matériau sont alignés de cette manière. La légère modification de la composition chimique du cristal a un impact majeur, car l’isolant topologique ferromagnétique MnBi₆Te_dix présente un champ magnétique plus fort et plus robuste que son prédécesseur antiferromagnétique. “Nous avons réussi à fabriquer le matériau quantique MnBi₆Te_dix de sorte qu’il devient ferromagnétique à 12 Kelvin. Bien que cette température de -261 degrés Celsius soit encore bien trop basse pour les composants informatiques, il s’agit de la première étape d’un long voyage de développement », explique le professeur Vladimir Hinkov de Würzburg. C’est son groupe qui a découvert que la surface du matériau présente des propriétés ferromagnétiques. , lui permettant de conduire le courant sans aucune perte, alors que son intérieur ne partage pas cette caractéristique.

Course au matériau miracle

Le ct.L’équipe de recherche de qmat n’était pas la seule à vouloir créer un isolant topologique ferromagnétique en laboratoire. “Après le succès remarquable de MnBi₂Te₄, les chercheurs du monde entier ont commencé à rechercher d’autres candidats pour les isolants topologiques magnétiques. En 2019, quatre groupes différents ont synthétisé le MnBi₆Te_dixmais ce n’est que dans notre laboratoire que ce matériau extraordinaire a montré des propriétés ferromagnétiques”, explique Isaeva, aujourd’hui professeur de physique expérimentale à l’Université d’Amsterdam.

Désordre antisite dans la structure atomique

Lorsque les chimistes des matériaux basés à Dresde, dirigés par Isaeva, ont minutieusement compris comment produire le matériau cristallin dans un processus semblable à un travail de détective, ils ont fait une découverte étonnante. Il s’est avéré que certains atomes devaient être repositionnés à partir de leur couche atomique d’origine, ce qui signifie qu’ils devaient laisser leur disposition native dans le cristal. “La distribution des atomes de manganèse à travers toutes les couches cristallines amène les atomes de manganèse environnants à faire tourner leur moment magnétique dans la même direction. L’ordre magnétique devient contagieux”, explique Isaeva. “Le désordre antisite atomique, le phénomène observé dans notre cristal, est généralement considéré comme perturbateur en chimie et en physique. Les structures atomiques ordonnées sont plus faciles à calculer et mieux comprises, mais elles ne donnent pas toujours le résultat souhaité”, ajoute Hinkov. “Ce trouble même est le mécanisme critique qui permet à MnBi₆Te_dix devenir ferromagnétique », souligne Isaeva.

Réseau collaboratif pour la recherche de pointe

ct.Des scientifiques qmat des deux universités TU Dresden et JMU Würzburg ainsi que du Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) à Dresde ont collaboré à cette recherche révolutionnaire. Les cristaux ont été préparés par une équipe de chimistes des matériaux dirigée par Isaeva (TU Dresden). Par la suite, le ferromagnétisme massif des échantillons a été détecté à l’IFW, où le Dr Jorge I. Facio a également développé une théorie complète expliquant à la fois le ferromagnétisme du MnBi₆Te_dix caractérisé par un désordre antisite et ses homologues antiferromagnétiques. L’équipe de Hinkov à JMU Würzburg a effectué les mesures de surface vitales.

Les chercheurs travaillent actuellement à atteindre le ferromagnétisme à des températures considérablement plus élevées. Ils ont déjà fait des progrès initiaux, atteignant environ 70 Kelvin. Simultanément, les températures ultra-basses auxquelles les effets quantiques exotiques se manifestent doivent être augmentées, car la conduction du courant sans perte ne commence qu’à 1 ou 2 Kelvin.

Pôle d’Excellence ct.qmat

Le pôle d’excellence ct.qmat — Complexité et topologie dans la matière quantique est dirigé conjointement par Julius-Maximilians-Universität Würzburg et Technische Universität Dresden depuis 2019. Près de 400 scientifiques de plus de 30 pays et de quatre continents étudient des matériaux quantiques topologiques qui révèlent des phénomènes surprenants dans des conditions extrêmes telles que des températures ultra-basses, des pressions élevées , ou des champs magnétiques puissants. ct.qmat est financé par la stratégie d’excellence allemande des gouvernements fédéral et des États et est le seul cluster d’excellence à être basé dans deux États fédéraux différents.