JMU Würzburg ve TU Dresden üniversitelerinde bulunan Mükemmellik Kümesi ct.qmat’tan bir araştırma ekibi, ferromanyetik hale getirmek için topolojik yalıtkan manganez bizmut tellüridi (MnBi6Te10) tasarladı. Bu kuantum malzemeyle ilgili şaşırtıcı olan şey, ferromanyetik özelliklerinin yalnızca atomik yapısına antisite bozukluğu eklendiğinde ortaya çıkmasıdır. Bunu başarmak için, bazı manganez atomlarının (yeşil) orijinal konumlarından (üstten ikinci yeşil atomik katman) taşınması gerekir. Yalnızca bizmut atomları (gri) içeren tüm katmanlarda manganez atomları mevcut olduğunda, aralarındaki manyetik etkileşim, onları aynı yöne yönlendirmek ve ferromanyetizma yaratmak için yeterince bulaşıcı hale gelir. Kredi: Jörg Bandmann / ct.qmat
Manyetik topolojik yalıtkanlar, elektronları hiçbir direnç göstermeden ileten egzotik bir malzeme sınıfıdır ve bu nedenle malzeme biliminde umut verici bir buluş olarak kabul edilir. Würzburg ve Dresden’deki Mükemmellik Kümesi ct.qmat’tan araştırmacılar, manganez bizmut tellür ailesinden ferromanyetik topolojik yalıtkan MnBi6Te10’u tasarlayarak enerji açısından verimli kuantum teknolojileri arayışında önemli bir kilometre taşına ulaştılar. Bu kuantum malzemeyle ilgili şaşırtıcı olan şey, ferromanyetik özelliklerinin yalnızca bazı atomlar yer değiştirdiğinde ortaya çıkması ve antisite bozukluğu ortaya çıkarmasıdır. Bulgular Advanced Science dergisinde yayınlandı.
Yeni teknolojinin habercisi
2019’da, o zamanlar genç bir profesör olan malzeme kimyacısı Anna Isaeva başkanlığındaki uluslararası bir araştırma ekibi ct.qmat’ta – Kuantum Maddesinde Karmaşıklık ve Topoloji, dünyanın ilk antiferromanyetik topolojik yalıtkanı olan manganez bizmut tellüridi (MnBi2Te4) üreterek heyecan yarattı. Bu olağanüstü malzemenin kendi dahili manyetik alanı vardır ve bu da bilgiyi manyetik olarak depolayabilen ve herhangi bir direnç göstermeden yüzeyde taşıyabilen yeni tür elektronik bileşenlerin yolunu açar. Bu, bilgisayarları daha sürdürülebilir ve enerji açısından verimli hale getirerek devrim yaratabilir. O zamandan beri, dünyanın dört bir yanındaki araştırmacılar, tam potansiyelini ortaya çıkarmak için hevesle bu gelecek vaat eden kuantum malzemenin çeşitli yönlerini aktif olarak inceliyorlar.
MnBi6Te10 ile ulaşılan kilometre taşı
Daha önce keşfedilen MnBi2Te4’e dayalı olarak, ct.qmat ekibi şimdi MnBi6Te10 olarak bilinen ferromanyetik özelliklere sahip bir topolojik yalıtkan tasarladı. Ferromanyetik malzemelerde, tek tek manganez atomları manyetik olarak paralel olarak hizalanır, yani tüm manyetik momentleri aynı yönü gösterir. Buna karşılık, antiferromanyetik selefi MnBi2Te4’te, yalnızca malzemenin tek bir katmanındaki manyetik momentler bu şekilde hizalanır. Ferromanyetik topolojik yalıtkan MnBi6Te10, antiferromanyetik selefinden daha güçlü ve daha sağlam bir manyetik alan sergilediğinden, kristalin kimyasal bileşimindeki küçük değişikliğin büyük bir etkisi vardır. “MnBi6Te10 kuantum malzemesini 12 Kelvin’de ferromanyetik hale gelecek şekilde üretmeyi başardık. Bu –261 santigrat derecelik sıcaklık, bilgisayar bileşenleri için hala çok düşük olsa da, bu, uzun geliştirme yolculuğunun ilk adımıdır,” diye açıklıyor Würzburg’dan Profesör Vladimir Hinkov. Malzemenin yüzeyinin, akımı herhangi bir kayıp olmadan iletmesini sağlayan ferromanyetik özellikler sergilediğini, oysa iç kısmının bu özelliği paylaşmadığını keşfedenler onun grubuydu.
Mucize malzeme yarışı
ct.qmat araştırma ekibi, laboratuvarda bir ferromanyetik topolojik yalıtkan yaratmayı hedefleyen tek kişi değildi. “MnBi2Te4’ün olağanüstü başarısının ardından, dünya çapındaki araştırmacılar manyetik topolojik izolatörler için daha fazla aday aramaya başladılar. 2019’da dört farklı grup MnBi6Te10’u sentezledi, ancak bu olağanüstü malzemenin ferromanyetik özellikler gösterdiği yalnızca bizim laboratuvarımızdı,” diye açıklıyor Isaeva, şu anda Amsterdam Üniversitesi’nde deneysel fizik profesörü.
Antisit bozukluğu atomik yapı
Isaeva liderliğindeki Dresden merkezli malzeme kimyagerleri, kristalli malzemenin dedektif çalışmasına benzer bir süreçte nasıl titizlikle üretileceğini anladıklarında, şaşırtıcı bir keşifte bulundular. Bazı atomların orijinal atomik katmanlarından yeniden konumlandırılmaları gerektiği, yani kristaldeki doğal düzenlemelerini bırakmaları gerektiği ortaya çıktı. “Mangan atomlarının tüm kristal katmanlara dağılımı, çevredeki manganez atomlarının manyetik momentlerini aynı yönde döndürmelerine neden olur. Manyetik düzen bulaşıcı hale gelir” diye açıklıyor Isaeva. “Kristalimizde görülen fenomen olan atomik antisit bozukluğu, genellikle kimya ve fizikte yıkıcı olarak kabul edilir. Sıralı atomik yapıları hesaplamak daha kolay ve daha iyi anlaşılır, ancak yine de her zaman istenen sonucu vermezler,” diye ekliyor Hinkov. “Bu bozukluğun kendisi, MnBi6Te10’un ferromanyetik hale gelmesini sağlayan kritik mekanizmadır,” diye vurguluyor Isaeva.
Son teknoloji araştırmalar için ortak ağ
ct.qmat TU Dresden ve JMU üniversitelerinden bilim adamları Würzburg ve Dresden’deki Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung’dan (IFW) bu çığır açan araştırma için işbirliği yaptı. Kristaller, Isaeva (TU Dresden) başkanlığındaki bir malzeme kimyagerleri ekibi tarafından hazırlandı. Daha sonra, numunelerin toplu ferromanyetizması IFW’de tespit edildi ve burada Dr. Jorge I. Facio, hem MnBi6Te10’un hem antisite bozukluğu hem de antiferromanyetik muadilleriyle karakterize edilen ferromanyetizmasını açıklayan kapsamlı bir teori geliştirdi. Hinkov’un JMU Würzburg’daki ekibi hayati yüzey ölçümlerini gerçekleştirdi.
Araştırmacılar şu anda oldukça yüksek sıcaklıklarda ferromanyetizma elde etmek için çalışıyorlar. Zaten ilk ilerlemeyi kaydettiler ve yaklaşık 70 Kelvin’e ulaştılar. Eşzamanlı olarak, kayıpsız akım iletimi yalnızca 1 ila 2 Kelvin’de başladığından, egzotik kuantum etkilerinin ortaya çıktığı ultra düşük sıcaklıkların artırılması gerekir.
Referans: “Kuantumda Karıştırmaya Dayalı Yüzey ve Yığın Ferromanyetizma Anormal Salon Adayı MnBi6Te10”, Abdul-Vakhab Tcakaev, Bastian Rubrecht, Jorge I. Facio, Volodymyr B. Zabolotnyy, Laura T. Corredor, Laura C. Folkers, Ekaterina Kochetkova, Thiago R. F. Peixoto, Philipp Kagerer, Simon Heinze, Hendrik Bentmann, Robert J. Green, Pierluigi Gargiani, Manuel Valvidares, Eugen Weschke, Maurits W. Haverkort, Friedrich Reinert, Jeroen van den Brink, Bernd Büchner, Anja U. B. Wolter, Anna Isaeva, Vladimir Hinkov, 17 Şubat 2023, Advanced Science.
DOI: 10.1002/advs.202203239
Mükemmellik Kümesi ct.qmat
Mükemmellik Kümesi ct.qmat – Kuantum Maddesinde Karmaşıklık ve Topoloji, Julius-Maximilians-Universität Würzburg ve Technische Universitä tarafından ortaklaşa yürütülmektedir. 2019’dan beri Dresden. 30’dan fazla ülkeden ve dört kıtadan yaklaşık 400 bilim insanı, ultra düşük sıcaklıklar, yüksek basınç veya güçlü manyetik alanlar gibi aşırı koşullar altında şaşırtıcı olayları ortaya çıkaran topolojik kuantum malzemeleri üzerinde çalışıyor. ct.qmat, Federal ve Eyalet Hükümetlerinin Alman Mükemmellik Stratejisi tarafından finanse edilir ve iki farklı federal eyalette bulunan tek Mükemmeliyet Kümesidir.