量子世界的惊喜无序导致铁磁拓扑绝缘体
2019 年，由材料化学家 Anna Isaeva 领导的国际研究团队，当时是ct 的初级教授。qmat (Complexity and Topology in Quantum Matter) 制造出世界上第一个反铁磁拓扑绝缘体——碲化锰铋 (MnBi 2 Te 4 ) ，引起轰动。这种非凡的材料有自己的内部磁场，为新型电子元件铺平了道路，这些电子元件可以磁性地存储信息并在表面上无阻力地传输信息。这可以通过使计算机更具可持续性和能效来彻底改变计算机。从那时起，全球的研究人员一直在积极研究这种有前途的量子材料的各个方面，渴望释放其全部潜力。
MnBi 6 Te 10取得的里程碑
基于先前发现的 MnBi 2 Te 4，来自 ct 的团队。qmat 现在设计了一种具有铁磁特性的拓扑绝缘体，称为 MnBi 6 Te 10。在铁磁材料中，单个锰原子在磁性上平行排列，这意味着它们的所有磁矩都指向同一方向。相比之下，在其反铁磁前身 MnBi 2 Te 4中，只有单层材料内的磁矩以这种方式对齐。晶体化学成分的微小变化会产生重大影响，因为铁磁拓扑绝缘体 MnBi 6 Te 10表现出比其反铁磁前身更强大和更强大的磁场。“我们设法制造了量子材料 MnBi 6 Te 10，使其在 12 开尔文温度下变为铁磁性。虽然这个 –261 摄氏度的温度对于计算机组件来说仍然太低，但这是漫长的发展旅程的第一步，”来自维尔茨堡的 Vladimir Hinkov 教授解释道。正是他的团队发现该材料的表面具有铁磁特性，使其能够毫无损耗地传导电流，而其内部则不具备这种特性。
争夺奇迹材料
ct 。qmat 研究团队并不是唯一一个旨在在实验室中创建铁磁拓扑绝缘体的团队。“继 MnBi 2 Te 4取得巨大成功之后，全球研究人员开始寻找更多的磁性拓扑绝缘体候选材料。2019 年，四个不同的小组合成了 MnBi 6 Te 10，但只有在我们的实验室中，这种非凡的材料才显示出铁磁特性，”现任阿姆斯特丹大学实验物理学教授的 Isaeva 解释道。
原子结构中的反位无序
当 Isaeva 领导的德累斯顿材料化学家煞费苦心地想出如何在类似于侦探工作的过程中生产这种结晶材料时，他们有了一个惊人的发现。事实证明，一些原子需要从它们原来的原子层重新定位，这意味着它们必须离开它们在晶体中的自然排列。“锰原子分布在所有晶体层中，导致周围的锰原子沿相同方向旋转磁矩。磁性秩序变得具有传染性，”Isaeva 解释道。“在我们的晶体中看到的原子反位无序现象通常被认为在化学和物理学中具有破坏性。有序的原子结构更容易计算和更好地理解——但它们并不总能产生预期的结果，”Hinkov 补充道。6 Te 10变成铁磁性的，”Isaeva 强调说。
前沿研究的协作网络
克拉 来自 TU Dresden 和 JMU Würzburg 两所大学以及德累斯顿 Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) 的 qmat 科学家合作开展了这项开创性研究。这些晶体是由 Isaeva(德累斯顿工业大学)领导的材料化学家团队制备的。随后，在 IFW 检测到样品的整体铁磁性，Jorge I. Facio 博士还开发了一个综合理论来解释以反位无序为特征的 MnBi 6 Te 10的铁磁性及其反铁磁性对应物。JMU Würzburg 的 Hinkov 团队进行了重要的表面测量。
研究人员目前正致力于在相当高的温度下实现铁磁性。他们已经取得了初步进展，达到了 70 开尔文左右。同时，需要提高出现奇异量子效应的超低温，因为无损电流传导仅在 1 至 2 开尔文时开始。
卓越集群 ct.qmat
卓越集群ct。qmat——自 2019 年以来，Julius-Maximilians-Universität Würzburg 和 Technische Universität Dresden 联合开展了量子物质的复杂性和拓扑学研究。来自四大洲 30 多个国家的近 400 名科学家研究了拓扑量子材料，这些材料在极端条件下揭示了令人惊讶的现象，例如如超低温、高压或强磁场。克拉 qmat 由联邦和州政府的德国卓越战略资助，是唯一一个位于两个不同联邦州的卓越集群。
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