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发现第一个本征磁性拓扑绝缘体

所谓的拓扑绝缘体是指散装为绝缘体的那些材料,即那些不允许在其体积中产生电流但在其表面上为导体的材料。与通常的导体(即金属)不同,在拓扑绝缘体中循环的电流不会遭受任何能量损失。这种特性为电子产品的应用提供了极大的可能性,因为它将使制造更高效,更快速和低能耗的设备成为可能。在当前全球能源需求快速增长的情况下,这是一个必要的目标,这是对我们的环境造成威胁的必要方案。因此,大约十年前发现拓扑绝缘体引起了纳米技术和凝聚态物理领域的全球研究热潮。

考虑到技术应用,例如信息技术,在这些年来的大量研究中,挑战之一就是创建磁拓扑绝缘体。到目前为止,磁性拓扑绝缘体仅是通过所谓的非本征途径​​创建的,该途径包括用磁性原子掺杂非磁性拓扑绝缘体。然而,由于材料物理中心(CFM,CSIC-UPV / EHU联合中心),Donostia国际物理中心(DIPC)和巴斯克地区大学(UPV / EHU)的一组研究人员的努力,现在有可能生长出一种本征磁性拓扑绝缘体,即一种具有自身性质的磁性的绝缘体。

DIPC研究人员Mikhail Otrokov(CFM Ikerbasque研究学者),Evgueni Chulkov(UPV / EHU,Euskadi研究奖2019),MaríaBlanco Rey(UPV / EHU)和Pedro M. Echenique(UPV / EHU,DIPC主席)组成的团队,从理论上预测了第一个本征磁性拓扑绝缘子,化学式为MnBi 2 Te 4。该预测成功的关键在于,这组科学家在拓扑绝缘体,磁性和材料科学领域拥有大量经验。Ikerbasque研究员兼这项研究的负责人Mikhail Otrokov指出:“先前通过不同方法进行的工作使我们得出结论,即本征路径是当今唯一可行的结论。然后,我们指示我们努力寻找基于本征磁拓扑绝缘子的方法。凭着我们以前的经验,我们知道了这种材料应具有的晶体结构和原子组成。”

Donostia(西班牙巴斯克地区)不仅是对这种第一个磁性拓扑绝缘体进行理论预测的地方,而且还是协调其实验确认的大本营。这项工作吸引了来自俄罗斯,阿塞拜疆,德国,奥地利,日本,意大利和美国的领先研究中心的不同领域的专家。这项研究的结果将于本周发表在著名的《自然》杂志上。Otrokov解释说,为了进行实验确认,第一步是化学合成专家合成化合物晶体。合成后,样品要经过大量表征实验(结构,磁性,电子,传输,原子组成等),直到观察到并验证了预测的特征。

这项研究的结果已经通过开放式服务器传播,作者在国际会议上发表的演讲已经得到了国际科学界的好评。目前,MnBi 2 Te 4和其他基于它的材料已在美国和中国的几个研究中心中被研究,这些研究中心表现出最强烈的活性。

Blanco告诉我们:“ MnBi 2 Te 4除了是本征磁性拓扑绝缘体之外,还证明是反铁磁性的,就像我们已经计算过的那样。” 反铁磁性由原子级的磁阶组成,因此材料缺乏净磁化强度。结果,这些材料对磁体的扰动更加坚固。

这种由锰(Mn),铋(Bi)和碲(Te)组成的晶体在基础和技术水平上都具有巨大的潜力。例如,它具有极其丰富的奇异特性,例如各种霍尔效应,包括量子效应,其中一些因其卓越的精度而用于物理常数的校准。另外,MnBi 2 Te 4可用于产生所谓的马里亚纳费米子。这是一种粒子,准确地说是准粒子,已经被认为是量子计算的基石。

同样,MnBi 2 Te 4是第一本征材料,可​​预测其非常类似于轴突的电磁响应。轴突是假设在量子色动力学框架内的假设粒子,它是解决暗物质问题的良好候选者。因此,有许多实验专门针对检测该化合物家族中轴突型行为的信号。

关于实际应用,已经有几种基于磁性拓扑绝缘子的设备获得了专利。例如,MnBi 2 Te 4可以用于手性互连器件中,与目前在商业集成电路中使用的普通铜连接相比,它具有更高的性能。其他一些应用包括光学调制器,磁场传感器和存储元件。

在Donostia工作的研究人员以及他们的国际合作者网络,希望能够在MnBi 2 Te 4中观察到上述某些奇异现象,并发现性能比MnBi 2 Te 更好的新型本征磁拓扑绝缘子。4。

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