Aurkitua lehen berezko isolatzaile topologiko magnetikoa

CFMko, DIPCko, eta UPV/EHUko ikertzaileek gidatutako nazioarteko zientzialari talde batek berezko propietate magnetikoak dituen lehen isolatzaile topologikoa aurreikustea eta behatzea lortu du.

  • Ikerketa

Lehenengo argitaratze data: 2019/12/19

Ikertzaileak. Argazkia: UPV/EHU.

Isolatzaile topologiko bezala ezagutzen diren materialek ez diete korronte elektrikoari pasatzen uzten bere bolumenean, baina bai ordea bere gainazalean. Ohiko eroaleetan ez bezala, hots, metaletan, isolatzaile topologiko gainazaletik doan korronte elektrikoak ez du inolako energia galerarik pairatzen. Propietate horrek elektronikako aplikazioei begira, aukera handiak ematen ditu gailu efizienteagoak, hau da, azkarragoak eta energia-kontsumo txikikoak, fabrikatzea erraztuko lukeelako. Eta helburu hori hain zuzen ere, oso desiragarria da munduan egun ematen ari den energia-eskariaren hazkunde bizkorraren aurrean, eskari horrek gure ingurumenean dituen ondorio larriak direla eta. Horrexegatik, duela hamarkada bat gutxi gorabehera, isolatzaile topologikoen aurkikuntzak mundu mailako ikerketa-booma eragin zuen nanoteknologiaren eta materia kondentsatuaren fisikaren alorretan.

Izan ditzakeen aplikazio teknologikoengatik, informazioaren teknologietan adibidez, ikerketa handiko urte hauetan egon den erronketako bat isolatzaile topologiko magnetikoa sortzea izan da. Duela gutxi arte, magnetismoa isolatzaile topologiko ez-magnetikoetan bide estrintsekoa deiturikoa erabiliz soilik sartzen zen, hau da, atomo magnetikoak gehituz. Hala ere, Materialen Fisikako Zentroko (CFM, CSIC-UPV/EHU zentro mistoa), Donostia International Physics Center-eko (DIPC) eta Euskal Herriko Unibertsitateko (UPV/EHU) ikertzaile-talde baten ahaleginari esker, orain posible da isolatzaile topologiko intrintseko haztea, hau da, bere izaeragatik propietate magnetikoak berezkoak dituena. DIPCko ondoko ikertzaileez osatutako taldeak, Mikhail Otrokov (CFMko Ikerbasque ikertzailea), Evgueni Chulkov (UPV/EHU, 2019ko Ikerketako Euskadi Saria), María Blanco Rey (UPV/EHU) eta Pedro M. Etxenike (UPV/EHU, DIPCko presidentea),  lehen isolatzaile topologiko magnetikoa teorikoki aurreikustea lortu du. Haren formula kimikoa da MnBi2Te4. Iragarpen horren arrakastaren gakoa izan da ikertzaile-talde horrek isolatzaile topologikoen, magnetismoaren eta, oro har, materialen zientziaren arloetan duen esperientzia handia. Mikhail Otrokov Ikerbasque ikertzailea da ikerlanaren burua, eta honako hau azaldu du: “hainbat ikuspegitatik egindako aldez aurreko lanak gaur egun bide intrintsekoa bakarrik zela bideragarria ondorioztatzera eraman gintuen. Orduan, isolatzaile topologiko magnetiko intrintseko bat aurkitzera bideratu genituen gure ahaleginak aurretiko esperientzietan oinarrituz; eta esperientzia horiei esker jakin genuen material horrek zer egitura kristalino eta konposizio atomiko izan behar zituen”.

Donostia ez da lehenengo isolatzaile topologiko magnetiko horren iragarpen teorikoa egin den tokia soilik, baizik eta haren berrespen esperimentala koordinatu duen kuartel nagusia ere izan da. Lan horretan, hainbat arlotako ikertzaile adituek hartu dute parte, hala nola, Errusia, Azerbaijan, Alemania, Austria, Japonia, Italia eta AEBetako erreferentziazko ikerketa-zentroetakoak. Ikerketa honen emaitzak aste honetan 'Nature' aldizkari ospetsuan argitaratu dira. Otrokov-ek azaldu duenez, baieztapen esperimentalerako, sintesi kimikoan adituak direnek konposatuaren kristalak sintetizatzea izan zen lehenengo lana. Hauek sintetizatu ondoren, laginei karakterizazio estruktural, magnetiko, elektroniko, garraio-esperimentu, konposizio atomiko eta abarren esperimentu ugari egin zitzaizkien, aurrez iragarritako ezaugarriak behatu eta egiaztatu arte.

Ikerketaren emaitzak, sarbide irekiko zerbitzari baten bidez eta nazioarteko biltzarretan egileek emandako hitzaldien bidez aurretik zabalduak, ondo hartu ditu nazioarteko komunitate zientifikoak. Gaur egun, MnBi2Te4 eta horretan oinarritutako beste material batzuk, dozenaka ikerketa-zentrotan aztertzen dira, AEBkoak eta Txinakoak direlarik jarduera biziena erakusten dutenak.

"MnBi2Te4 hori berezko propietate magnetikoak dituen isolatzaile topologikoa izateaz gain, material antiferromagnetikoa ere dela suertatu da, kalkulatu genuen bezala", esan digu Blancok. Antiferromagnetismoa eskala atomikoko ordena magnetiko batean datza, materialak magnetizazio garbirik ez duelarik. Horregatik, material horiek askoz sendoagoak dira imanek eragindako perturbazioen aurrean.

Manganeso (Mn), Bismuto (Bi) eta Telurioz (Te) osatutako konposatu honek potentzial handia du, bai oinarrizko mailan, bai maila teknologikoan. Oso aberatsa da propietate exotikoetan, esate baterako, hainbat Hall efektu ditu, Hall efektu kuantikoa barne; horietako batzuk konstante fisikoen kalibrazioan erabiltzen dira duten doitasun bikainagatik. MnBi2Te4-a Majorana fermioiak deritzenak sortzeko ere balio dezake. Konputazio kuantikoaren harri angeluarra kontsideratu den partikula mota bat. Era berean, MnBi2Te4-a da lehen material intrintsekoa axioi baten antzeko erantzun elektromagnetiko bat iragartzen zaiona. Axioia kromodinamika kuantikoaren esparruan postulatutako partikula hipotetiko bat da, materia ilunaren problema konpontzeko hautagai ona dena. Horregatik, esperimentu asko diseinatzen ari dira, konposatu honen familian axioi motako portaera baten seinaleak antzemateko.

Aplikazio praktikoei dagokienez, isolatzaile topologiko magnetikoetan oinarritutako hainbat gailu patentatu dira dagoeneko. Adibidez, MnBi2Te4-a zirkuitu integratuetako interkonexio kiraletan erabil liteke, gaur egun komertzialki eskuragarri dauden zirkuituetan erabiltzen diren kobrezko konexio arruntak baino errendimendu handiagoa izatea espero baita. Beste aplikazio batzuk dira modulatzaile optikoak, eremu magnetikoko sentsoreak eta memoria-elementuak.

Donostian lan egiten duen ikertzaile taldeak, haien nazioarteko kolaboratzaile-sarearekin batera, MnBi2Te4-n lehen aipatutako propietate exotikoetako batzuk behatu ahal izatea, eta MnBi2Te4-ren ezaugarriak baino are hobeagoak dituzten berezko isolatzaile topologiko magnetiko berriak deskubritzea espero du.

Erreferentzia bibliografikoa

  • M. M. Otrokov, I. I. Klimovskikh, H. Bentmann, D. Estyunin, A. Zeugner, Z. S. Aliev, S. Gaß, A. U. B. Wolter, A. V. Koroleva, A. M. Shikin, M. Blanco-Rey, M. Hoffmann, I. P. Rusinov, A. Yu. Vyazovskaya, S. V. Eremeev, Yu. M. Koroteev, V. M. Kuznetsov, F. Freyse, J. Sánchez-Barriga, I. R. Amiraslanov, M. B. Babanly, N. T. Mamedov, N. A. Abdullayev, V. N. Zverev, A. Alfonsov, V. Kataev, B. Büchner, E. F. Schwier, S. Kumar, A. Kimura, L. Petaccia, G. Di Santo, R. C. Vidal, S. Schatz, K. Kißner, M. Ünzelmann, C. H. Min, Simon Moser, T. R. F. Peixoto, F. Reinert, A. Ernst, P. M. Echenique, A. Isaeva and E. V. Chulkov. "Prediction and observation of an antiferromagnetic topological insulator" Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1840-9