Neues Quantenmaterial mit magnetischen und topologischen Eigenschaften entdeckt

20.12.2019 - Deutschland

Ein internationales Konsortium von Chemikern und Physikern hat eine neue Art von Quantenmaterial mit intrinsisch magnetischen und topologischen Eigenschaften entdeckt. Für Anwendungen in der Spintronik, zweidimensionalen Magnetismus und Quantentransport ist es besonders interessant, weil es ohne Dotierung und starke äußere Magnetfelder auskommt.

Seit ihrer Entdeckung im Jahr 2009 sind topologische Isolatoren ein heißes Eisen der Materialphysik. Das Besondere an ihnen ist, dass sie gleichzeitig als Isolatoren und als elektrische Leiter agieren können. Während im Inneren der Kristalle ein elektrisch isolierender Zustand herrscht, sind die Kristalloberflächen elektrisch leitend. Das große wissenschaftliche Interesse an topologischen Isolatoren rührt von den neuen Quantenzuständen, die in diese Materialklasse zu beobachten sind. Als eine Art Brutstätte für neuartige Quasiteilchen und exotische Quantenphänomene sind sie sowohl für die theoretische Beschreibung als auch für die Synthese und experimentelle Untersuchung eine große Herausforderung.

Besondere Anstrengungen werden unternommen, um die Wechselwirkung topologischer Phasen in magnetischen topologischen Isolatoren zu untersuchen. Forscher des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden und der Technischen Universität Dresden haben eine Technik entwickelt, mit der die ersten Einkristalle des magnetischen topologischen Materials Mangan-Bismut-Tellurid gezüchtet worden sind. Diese Substanz ähnelt strukturell dem Klassiker der topologischen Isolatoren, Bismut-Tellurid, weist jedoch zusätzlich ein periodisches Untergitter von Mangan-Atomen auf. Bei einer Temperatur von unter 24 Kelvin bilden diese Mangan-Atome ein geordnetes dreidimensionales magnetisches Gitter. Theorie-Kollegen aus Spanien haben herausgefunden, dass die wesentlichen topologischen Eigenschaften von Mangan-Bismut-Tellurid von der trigonalen Kristallstruktur und der antiferromagnetischen Kopplung der Zwischenschichten hervorgerufen wird. Die nicht-triviale Topologie manifestiert sich in den Oberflächenzuständen, die Experimentatoren aus Würzburg und Sankt Petersburg unabhängig voneinander mit winkelaufgelöster Photoelektronenspektoskopie untersuchten. Alle Teile dieses Puzzles sind in einem kürzlich erschienenen Artikel im Fachblatt Nature zusammengefasst. Im Ergebnis wird bestätigt, dass Mangan-Bismut-Tellurid der erste antiferromagnetische topologische Isolator unterhalb seiner Néel-Temperatur ist, das heißt in dem Temperaturbereich, in dem sich eine langreichweitige magnetische Ordnung etabliert.

Diese Entdeckung hat eine große Bedeutung für mögliche Anwendungen der topologischen Isolatoren. Das neue Material Bismut-Mangan-Tellurid eröffnet die Möglichkeit, auf die Dotierung und auf starke externe Magnetfelder zu verzichten, da der Magnetismus bereits intrinsisch in der stöchiometrischen Verbindung angelegt ist.