量子世界的惊喜无序导致铁磁拓扑绝缘体

　　量子世界的惊喜：无序导致铁磁拓扑绝缘体 来源：Jörg Bandmann
　　磁拓扑绝缘体是一类奇特的材料，它完全没有任何电阻地传导电子，因此被认为是材料科学的一个有希望的突破。来自维尔茨堡和德累斯顿卓越集群 ct.qmat 的研究人员通过设计铁磁拓扑绝缘体 MnBi 在追求节能量子技术方面取得了一个重要的里程碑。6特10来自锰碲化铋家族。
　　这种量子材料的惊人之处在于，它的铁磁特性仅在一些原子交换位置时发生，从而引入反位点无序。研究结果已发表在 《先进科学》 杂志上。
　　2019年，由材料化学家Anna Isaeva领导的国际研究团队，当时是ct.qmat（量子物质的复杂性和拓扑学）的初级教授，通过制造世界上第一个反铁磁拓扑绝缘体——锰碲化铋（MnBi2特4).
　　这种非凡的材料具有自己的内部磁场，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没有任何阻力的情况下将其传输到表面上。这可能会使计算机更具可持续性和能源效率，从而彻底改变计算机。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取得的里程碑6特10
　　基于先前发现的MnBi2特4，来自ct.qmat的一个团队现在已经设计了一种具有铁磁特性的拓扑绝缘体，称为MnBi6特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，在其反铁磁性前身MnBi2特4，只有材料单层内的磁矩以这种方式对齐。
　　晶体化学成分的微小变化具有重大影响，如铁磁拓扑绝缘体MnBi6特10表现出比其反铁磁前身更强、更强大的磁场。＂我们设法制造了量子材料MnBi。6特10使得它在 12 开尔文处变成铁磁性。虽然-261摄氏度的温度对于计算机组件来说仍然太低了，但这是漫长的发展之旅的第一步，＂维尔茨堡的Vladimir Hinkov教授解释说。正是他的团队发现，这种材料的表面表现出铁磁特性，使其能够传导电流而没有任何损耗，而其内部则不具有这一特性。
　　ct.qmat研究团队并不是唯一一个致力于在实验室中创建铁磁拓扑绝缘体的人。＂继MnBi取得巨大成功之后2特4，世界各地的研究人员开始寻找更多磁拓扑绝缘体的候选者。2019年，四个不同的小组合成了MnBi6特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解释说。 原子结构中的抗位点紊乱
　　当以伊萨耶娃为首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晶体材料时，他们做出了惊人的发现。事实证明，一些原子需要从其原始原子层重新定位，这意味着它们必须将其天然排列留在晶体中。
　　＂锰原子在所有晶层中的分布导致周围的锰原子在同一方向上旋转其磁矩。磁性秩序变得具有传染性，＂伊萨耶娃解释说。＂原子反位紊乱，在我们的晶体中看到的现象，通常被认为是化学和物理学中的破坏性。有序的原子结构更容易计算和更好地理解 - 但它们并不总是产生预期的结果，＂Hinkov补充道。＂这种紊乱是使MnBi6特10成为铁磁，＂伊萨耶娃强调说。 前沿研究的协作网络
　　来自德累斯顿工业大学和维尔茨堡大学以及德累斯顿莱布尼茨音乐研究所（IFW）的科学家合作开展了这项开创性的研究。这些晶体由Isaeva（德累斯顿工业大学）领导的材料化学家团队制备。随后，在IFW检测到样品的体积铁磁性，Jorge I. Facio博士还开发了一个全面的理论，解释了MnBi的铁磁性。6特10以反位紊乱及其反铁磁性对应物为特征。Hinkov在JMU Würzburg的团队进行了重要的表面测量。
　　研究人员目前正在努力在相当高的温度下实现铁磁性。他们已经取得了初步进展，达到了大约70开尔文。同时，需要提高表现出奇异量子效应的超低温，因为无损电流传导仅从1到2开尔文开始。
　　更多信息：  Abdul-Vakhab Tcakaev 等人，量子异常霍尔候选者 MnBi 6 te 10 中的混合驱动表面和体铁磁性，  高级科学   （2023）。DOI： 10.1002/advs.202203239
　　期刊信息：  先进科学