Les isolants topologiques agissent comme des isolants électriques à l'intérieur mais conduisent l'électricité le long de leurs surfaces. Les chercheurs étudient le comportement exotique de certains de ces isolants en utilisant un champ magnétique externe pour forcer les spins ioniques dans un isolant topologique à être parallèles les uns aux autres. Ce processus est connu sous le nom de rupture de symétrie d'inversion du temps. Maintenant, une équipe de recherche a créé un isolant topologique ferromagnétique intrinsèque. Cela signifie que la symétrie d'inversion temporelle est brisée sans appliquer de champ magnétique. L'équipe a utilisé une combinaison d'outils de synthèse, de caractérisation et de théorie pour confirmer la structure et les propriétés de nouveaux matériaux topologiques magnétiques. Dans le processus, ils ont découvert un isolant d'axion exotique dans MnBi₈ Te₁₃ .

Les chercheurs peuvent utiliser des matériaux topologiques magnétiques pour réaliser des formes exotiques de matière qui ne sont pas vues dans d'autres types de matériaux. Les scientifiques pensent que les phénomènes que présentent ces matériaux pourraient faire progresser la technologie quantique et augmenter l'efficacité énergétique des futurs appareils électroniques. Les chercheurs pensent qu'un isolant topologique intrinsèquement ferromagnétique, plutôt que d'acquérir ses propriétés en ajoutant un petit nombre d'atomes magnétiques, est idéal pour étudier de nouveaux comportements topologiques. En effet, aucun champ magnétique externe n'est nécessaire pour étudier les propriétés du matériau. Cela signifie également que le magnétisme du matériau est plus uniformément réparti. Cependant, les scientifiques ont déjà été confrontés à des défis dans la création de ce type de matériau. Ce nouveau matériau est constitué de couches d'atomes de manganèse, de bismuth et de tellure. Cela pourrait offrir des opportunités pour explorer de nouvelles phases de la matière et développer de nouvelles technologies. Il aide également les chercheurs à étudier des questions scientifiques fondamentales sur les matériaux quantiques.

L'équipe de recherche, dirigée par des scientifiques de l'Université de Californie à Los Angeles, a développé l'isolant topologique ferromagnétique intrinsèque en fabriquant un composé avec des couches alternées de MnBi₂ Te₄ et Bi₂ Te₃ , liés par de faibles forces intercalaires d'attraction entre les molécules. Les scientifiques ont récemment découvert que le MnBi₂ Te₄ est un matériau topologique naturellement magnétique. Cependant, lorsque des couches de MnBi₂ magnétique Te₄ sont directement empilés les uns sur les autres, les moments magnétiques au sein des couches voisines pointent dans des directions opposées, rendant le matériau antiferromagnétique dans son ensemble - perdant les aspects topologiques des propriétés importantes pour les technologies. Les chercheurs ont résolu ce problème en créant un nouveau composé avec trois couches non magnétiques de Bi₂ Te₃ entre les couches de MnBi₂ Te₄ , qui, combinés, créent MnBi₈ Te₁₃ . Cette conception matérielle augmente la distance entre le MnBi₂ Te₄ couches, ce qui élimine avec succès l'effet antiferromagnétique, conduisant à un ferromagnétisme à longue portée inférieur à 10,5 K avec un fort couplage entre le magnétisme et les porteurs de charge.

Des aspects importants de cette recherche étaient des expériences de diffusion de neutrons à l'aide de l'instrument DEMAND du réacteur à isotopes à haut flux (HFIR) qui a mis en évidence la façon dont les atomes sont disposés dans le MnBi₈ Te₁₃ matériau et confirmé son état ferromagnétique. Parce que les neutrons ont leur propre moment magnétique, ils peuvent être utilisés pour déterminer la structure magnétique à l'intérieur d'un matériau. Les scientifiques ont également utilisé des expériences de spectroscopie de photoémission à résolution angulaire à la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford, une installation utilisateur du Département de l'énergie, et des calculs de théorie fonctionnelle de la densité pour étudier l'état électronique et topologique du matériau. En combinant les évaluations de toutes ces méthodes, les chercheurs ont pu valider les propriétés ferromagnétiques et topologiques compatibles avec un isolant d'axion avec des lacunes d'hybridation de surface importantes et un nombre de Chern non trivial. + Explorer plus loin

Electrons on the edge :L'histoire d'un isolant topologique magnétique intrinsèque