量子世界的惊喜无序导致铁磁拓扑绝缘体

磁性拓扑绝缘体是一类奇特的材料，可以完全没有任何阻力地传导电子，因此被认为是材料科学中有前途的突破。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来自锰铋碲系列的铁磁拓扑绝缘体MnBi6Te10，在追求节能量子技术方面取得了重要的里程碑。

这种量子材料的惊人之处在于它的铁磁特性只有在一些原子交换位置时才会出现，从而引入反位无序。研究结果发表在《高级科学》杂志上。

2019年，由材料化学家AnnaIsaeva(当时是ct.qmat(量子物质的复杂性和拓扑学)的初级教授)领导的国际研究团队制造了世界上第一个反铁磁拓扑绝缘体——碲化锰铋(MnBi)，引起了轰动2特4)。

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。

MnBi6Te10取得的里程碑

基于之前发现的MnBi2Te4，来自ct.qmat的团队现在设计了一种具有铁磁特性的拓扑绝缘体，称为MnBi6Te10。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MnBi2Te4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MnBi6Te10表现出比其反铁磁前身更强、更稳健的磁场。“我们设法制造了量子材料MnBi6Te10，使其在12开尔文时变成铁磁性。尽管–261摄氏度的温度对于计算机组件来说仍然太低，但这是漫长发展旅程的第一步，”来自维尔茨堡的VladimirHinkov教授解释说。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。

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MnBi2Te4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者。2019年，四个不同的团队合成了MnBi6Te10，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，“Isaeva解释说，她现在是阿姆斯特丹大学的实验物理学教授。

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。

“锰原子在所有晶体层中的分布导致周围的锰原子沿相同方向旋转它们的磁矩。磁序变得具有传染性，”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。“这种无序是使MnBi6Te10变成铁磁性的关键机制，”Isaeva强调说。

前沿研究的协作网络

来自TUDresden和JMUWürzburg两所大学以及德累斯顿Leibniz-InstitutfürFestkörper-undWerkstoffforschung(IFW)的ct.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，JorgeI.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MnBi6Te10的铁磁性及其反铁磁性对应物。JMUWürzburg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。

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