Los aisladores topológicos actúan como aislantes eléctricos en el interior pero conducen la electricidad a lo largo de sus superficies. Los investigadores estudian algunos de los comportamientos exóticos de estos aisladores utilizando un campo magnético externo para obligar a los espines de iones dentro de un aislador topológico a ser paralelos entre sí. Este proceso se conoce como ruptura de la simetría de inversión del tiempo. Ahora, un equipo de investigación ha creado un aislante topológico ferromagnético intrínseco. Esto significa que la simetría de inversión temporal se rompe sin aplicar un campo magnético. El equipo empleó una combinación de síntesis, herramientas de caracterización y teoría para confirmar la estructura y las propiedades de nuevos materiales topológicos magnéticos. En el proceso, descubrieron un exótico aislante de axión en MnBi₈ Te₁₃ .

Los investigadores pueden utilizar materiales topológicos magnéticos para realizar formas exóticas de materia que no se ven en otros tipos de material. Los científicos creen que los fenómenos que exhiben estos materiales podrían ayudar al avance de la tecnología cuántica y aumentar la eficiencia energética de los futuros dispositivos electrónicos. Los investigadores creen que un aislante topológico que es inherentemente ferromagnético, en lugar de obtener sus propiedades al agregar una pequeña cantidad de átomos magnéticos, es ideal para estudiar nuevos comportamientos topológicos. Esto se debe a que no se necesita un campo magnético externo para estudiar las propiedades del material. También significa que el magnetismo del material se distribuye de manera más uniforme. Sin embargo, los científicos se han enfrentado previamente a desafíos al crear este tipo de material. Este nuevo material consta de capas de átomos de manganeso, bismuto y telurio. Podría brindar oportunidades para explorar nuevas fases de la materia y desarrollar nuevas tecnologías. También ayuda a los investigadores a estudiar preguntas científicas básicas sobre materiales cuánticos.

El equipo de investigación, dirigido por científicos de la Universidad de California, Los Ángeles, desarrolló el aislante topológico ferromagnético intrínseco al hacer un compuesto con capas alternas de MnBi₂ Te₄ y Bi₂ Te₃ , unidos por débiles fuerzas de atracción entre capas entre moléculas. Los científicos descubrieron recientemente que MnBi₂ Te₄ es un material topológico naturalmente magnético. Sin embargo, cuando las capas de MnBi₂ magnético Te₄ se apilan directamente unos sobre otros, los momentos magnéticos dentro de las capas vecinas apuntan en direcciones opuestas, lo que hace que el material sea antiferromagnético en su conjunto, perdiendo los aspectos topológicos de las propiedades que son importantes para las tecnologías. Los investigadores resolvieron este problema creando un nuevo compuesto con tres capas no magnéticas de Bi₂ Te₃ entre capas de MnBi₂ Te₄ , que, combinados, crean MnBi₈ Te₁₃ . Este diseño de material aumenta la distancia entre el MnBi₂ Te₄ capas, lo que elimina con éxito el efecto antiferromagnético, lo que lleva a un ferromagnetismo de largo alcance por debajo de 10,5 K con un fuerte acoplamiento entre el magnetismo y los portadores de carga.

Aspectos importantes de esta investigación fueron los experimentos de dispersión de neutrones a través del instrumento DEMAND en el High Flux Isotope Reactor (HFIR) que identificaron cómo se organizan los átomos dentro del MnBi₈ Te₁₃ material y confirmó su estado ferromagnético. Debido a que los neutrones tienen su propio momento magnético, pueden usarse para determinar la estructura magnética dentro de un material. Los científicos también utilizaron experimentos de espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo en la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford, una instalación de usuarios del Departamento de Energía, y cálculos de teoría funcional de densidad de principios básicos para investigar el estado electrónico y topológico del material. Al combinar las evaluaciones de todos estos métodos, los investigadores pudieron validar las propiedades ferromagnéticas y topológicas consistentes con un aislante de axión con brechas de hibridación de superficie considerables y un número de Chern no trivial. + Explora más

Electrones en el borde:la historia de un aislante topológico magnético intrínseco