Unordnung führt zu einem ferromagnetischen topologischen Isolator

Magnetische topologische Isolatoren sind eine exotische Klasse von Materialien, die Elektronen völlig widerstandslos leiten und daher als vielversprechender Durchbruch in der Materialwissenschaft gelten. Forschern des Exzellenzclusters ct.qmat in Würzburg und Dresden ist mit dem Design des ferromagnetischen topologischen Isolators MnBi6Te10 aus der Familie der Mangan-Bismuth-Telluride ein bedeutender Meilenstein auf dem Weg zu energieeffizienten Quantentechnologien gelungen.

Das Erstaunliche an diesem Quantenmaterial ist, dass seine ferromagnetischen Eigenschaften nur dann auftreten, wenn einige Atome ihre Plätze tauschen, was zu einer Antisite-Unordnung führt. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Fortgeschrittene Wissenschaft.

2019 sorgte ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der Materialchemikerin Anna Isaeva, damals Juniorprofessorin am ct.qmat (Complexity and Topology in Quantum Matter), für Aufsehen, als es den weltweit ersten antiferromagnetischen topologischen Isolator herstellte – Mangan-Bismut-Tellurid (MnBi2Te4). ).

Dieses bemerkenswerte Material verfügt über ein eigenes inneres Magnetfeld und ebnet den Weg für neuartige elektronische Bauteile, die Informationen magnetisch speichern und ohne Widerstand auf der Oberfläche transportieren können. Dies könnte Computer revolutionieren, indem es sie nachhaltiger und energieeffizienter macht. Seitdem untersuchen Forscher auf der ganzen Welt aktiv verschiedene Aspekte dieses vielversprechenden Quantenmaterials, um sein volles Potenzial auszuschöpfen.

Meilenstein mit MnBi6Te10 erreicht

Basierend auf dem zuvor entdeckten MnBi2Te4 hat ein Team von ct.qmat nun einen topologischen Isolator mit ferromagnetischen Eigenschaften entwickelt, der als MnBi6Te10 bekannt ist. In ferromagnetischen Materialien sind die einzelnen Manganatome magnetisch parallel ausgerichtet, das heißt, alle ihre magnetischen Momente weisen in die gleiche Richtung. Im Gegensatz dazu sind bei seinem antiferromagnetischen Vorgänger MnBi2Te4 nur die magnetischen Momente innerhalb einer einzigen Schicht des Materials auf diese Weise ausgerichtet.

Die geringfügige Änderung der chemischen Zusammensetzung des Kristalls hat große Auswirkungen, da der ferromagnetische topologische Isolator MnBi6Te10 ein stärkeres und robusteres Magnetfeld aufweist als sein antiferromagnetischer Vorgänger. „Uns ist es gelungen, das Quantenmaterial MnBi6Te10 so herzustellen, dass es bei 12 Kelvin ferromagnetisch wird. Obwohl diese Temperatur von –261 Grad Celsius für Computerbauteile noch viel zu niedrig ist, ist dies der erste Schritt auf dem langen Weg der Entwicklung“, erklärt Professor Vladimir Hinkov aus Würzburg. Seine Gruppe entdeckte, dass die Oberfläche des Materials ferromagnetische Eigenschaften aufweist, die es ihm ermöglichen, Strom verlustfrei zu leiten, während sein Inneres diese Eigenschaft nicht aufweist.

Das Forschungsteam von ct.qmat war nicht das einzige Ziel, einen ferromagnetischen topologischen Isolator im Labor herzustellen. „Nach dem bemerkenswerten Erfolg von MnBi2Te4 begannen Forscher weltweit mit der Suche nach weiteren Kandidaten für magnetische topologische Isolatoren. 2019 synthetisierten vier verschiedene Gruppen MnBi6Te10, aber nur in unserem Labor zeigte dieses außergewöhnliche Material ferromagnetische Eigenschaften“, erklärt Isaeva, jetzt a Professor für Experimentalphysik an der Universität Amsterdam.

Antisite-Störung in der Atomstruktur

Als die Dresdner Materialchemiker um Isaeva akribisch herausfanden, wie man das kristalline Material detektivisch herstellt, machten sie eine erstaunliche Entdeckung. Es stellte sich heraus, dass einige Atome aus ihrer ursprünglichen Atomlage neu positioniert werden mussten, was bedeutet, dass sie ihre ursprüngliche Anordnung im Kristall belassen mussten.

„Die Verteilung der Manganatome über alle Kristallschichten bewirkt, dass die umgebenden Manganatome ihr magnetisches Moment in die gleiche Richtung drehen. Die magnetische Ordnung wird ansteckend“, erklärt Isaeva. „Die atomare Antisite-Unordnung, das Phänomen, das in unserem Kristall zu beobachten ist, wird in der Chemie und Physik normalerweise als störend angesehen. Geordnete atomare Strukturen sind einfacher zu berechnen und besser zu verstehen – aber sie führen nicht immer zum gewünschten Ergebnis“, fügt Hinkov hinzu. „Genau diese Unordnung ist der entscheidende Mechanismus, der es MnBi6Te10 ermöglicht, ferromagnetisch zu werden“, betont Isaeva.

Kooperationsnetzwerk für Spitzenforschung

An dieser bahnbrechenden Forschung haben ct.qmat-Wissenschaftler der beiden Universitäten TU Dresden und JMU Würzburg sowie des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) in Dresden mitgewirkt. Die Kristalle wurden von einem Team von Materialchemikern unter der Leitung von Isaeva (TU Dresden) hergestellt. Anschließend wurde der Bulk-Ferromagnetismus der Proben am IFW nachgewiesen, wo Dr. Jorge I. Facio auch eine umfassende Theorie entwickelte, die sowohl den durch Antisite-Unordnung gekennzeichneten Ferromagnetismus von MnBi6Te10 als auch seine antiferromagnetischen Gegenstücke erklärt. Hinkovs Team an der JMU Würzburg führte die entscheidenden Oberflächenmessungen durch.

Derzeit arbeiten die Forscher daran, Ferromagnetismus bei deutlich höheren Temperaturen zu erreichen. Sie haben bereits erste Fortschritte gemacht und erreichen rund 70 Kelvin. Gleichzeitig müssen die ultratiefen Temperaturen, bei denen sich die exotischen Quanteneffekte zeigen, erhöht werden, da die verlustfreie Stromleitung erst bei 1 bis 2 Kelvin einsetzt.