Os isolantes topológicos atuam como isolantes elétricos no interior, mas conduzem eletricidade ao longo de suas superfícies. Os pesquisadores estudam o comportamento exótico de alguns desses isoladores usando um campo magnético externo para forçar os spins de íons dentro de um isolador topológico a serem paralelos entre si. Esse processo é conhecido como quebra de simetria de reversão no tempo. Agora, uma equipe de pesquisa criou um isolante topológico ferromagnético intrínseco. Isso significa que a simetria de reversão no tempo é quebrada sem a aplicação de um campo magnético. A equipe empregou uma combinação de síntese, ferramentas de caracterização e teoria para confirmar a estrutura e as propriedades de novos materiais topológicos magnéticos. No processo, eles descobriram um isolador axion exótico em MnBi₈ Te₁₃ .
Os pesquisadores podem usar materiais topológicos magnéticos para realizar formas exóticas de matéria que não são vistas em outros tipos de material. Os cientistas acreditam que os fenômenos que esses materiais exibem podem ajudar a avançar a tecnologia quântica e aumentar a eficiência energética de futuros dispositivos eletrônicos. Os pesquisadores acreditam que um isolante topológico que é inerentemente ferromagnético, em vez de ganhar suas propriedades adicionando um pequeno número de átomos magnéticos, é ideal para estudar novos comportamentos topológicos. Isso ocorre porque nenhum campo magnético externo é necessário para estudar as propriedades do material. Isso também significa que o magnetismo do material é distribuído de forma mais uniforme. No entanto, os cientistas já enfrentaram desafios na criação desse tipo de material. Este novo material consiste em camadas de átomos de manganês, bismuto e telúrio. Poderia fornecer oportunidades para explorar novas fases da matéria e desenvolver novas tecnologias. Também ajuda os pesquisadores a estudar questões científicas básicas sobre materiais quânticos.

A equipe de pesquisa, liderada por cientistas da Universidade da Califórnia, em Los Angeles, desenvolveu o isolante topológico ferromagnético intrínseco fazendo um composto com camadas alternadas de MnBi₂ Te₄ e Bi₂ Te₃ , ligados por fracas forças de atração intercamadas entre as moléculas. Os cientistas descobriram recentemente que o MnBi₂ Te₄ é um material topológico naturalmente magnético. No entanto, quando camadas de MnBi magnético₂ Te₄ são empilhados diretamente um no outro, os momentos magnéticos dentro das camadas vizinhas apontam em direções opostas, tornando o material antiferromagnético como um todo – perdendo os aspectos topológicos das propriedades que são importantes para as tecnologias. Os pesquisadores resolveram esse problema fazendo um novo composto com três camadas não magnéticas de Bi₂ Te₃ entre camadas de MnBi₂ Te₄ , que, combinados, criam MnBi₈ Te₁₃ . Este design de material aumenta a distância entre o MnBi₂ Te₄ camadas, que elimina com sucesso o efeito antiferromagnético, levando a ferromagnetismo de longo alcance abaixo de 10,5 K com forte acoplamento entre magnetismo e portadores de carga.

Aspectos importantes desta pesquisa foram experimentos de espalhamento de nêutrons através do instrumento DEMAND no Reator Isótopo de Alto Fluxo (HFIR) que identificou como os átomos estão organizados dentro do MnBi₈ Te₁₃ material e confirmou seu estado ferromagnético. Como os nêutrons têm seu próprio momento magnético, eles podem ser usados ​​para determinar a estrutura magnética dentro de um material. Os cientistas também usaram experimentos de espectroscopia de fotoemissão resolvida em ângulo na Fonte de Luz de Radiação Síncrotron de Stanford, uma instalação do usuário do Departamento de Energia, e primeiros princípios, cálculos de teoria funcional de densidade para investigar o estado eletrônico e topológico do material. Combinando as avaliações de todos esses métodos, os pesquisadores foram capazes de validar as propriedades ferromagnéticas e topológicas consistentes com um isolante axion com lacunas de hibridização de superfície consideráveis ​​e um número de Chern não trivial. + Explorar mais

Elétrons na borda:a história de um isolante topológico magnético intrínseco