Surprise dans le monde quantique
Le désordre conduit à un isolant topologique ferromagnétique
Les isolants topologiques magnétiques sont une classe exotique de matériaux qui conduisent les électrons sans aucune résistance et sont donc considérés comme une percée prometteuse dans la science des matériaux. Les chercheurs du pôle d'excellence ct.qmat de Würzburg et de Dresde ont franchi une étape importante dans la recherche de technologies quantiques efficaces sur le plan énergétique en concevant l'isolant topologique ferromagnétique MnBi6Te10 de la famille des tellurures de manganèse et de bismuth. L'aspect étonnant de ce matériau quantique est que ses propriétés ferromagnétiques n'apparaissent que lorsque certains atomes changent de place, introduisant ainsi un désordre antisite. Les résultats ont été publiés dans la revue Advanced Science.
Une équipe de chercheurs du pôle d'excellence ct.qmat basé dans les universités JMU Würzburg et TU Dresden a modifié l'isolant topologique tellurure de manganèse et de bismuth (MnBi6Te10) pour le rendre ferromagnétique.
Jörg Bandmann/ct.qmat
Les signes avant-coureurs d'une nouvelle technologie
En 2019, une équipe de recherche internationale dirigée par la chimiste des matériaux Anna Isaeva, alors jeune professeur au ct.qmat (Complexity and Topology in Quantum Matter), a fait sensation en fabriquant le premier isolant topologique antiferromagnétique au monde : le tellurure de manganèse et de bismuth (MnBi2Te4). Ce matériau remarquable possède son propre champ magnétique interne, ce qui ouvre la voie à de nouveaux types de composants électroniques capables de stocker des informations de manière magnétique et de les transporter à la surface sans aucune résistance. Cela pourrait révolutionner les ordinateurs en les rendant plus durables et plus économes en énergie. Depuis lors, des chercheurs du monde entier étudient activement divers aspects de ce matériau quantique prometteur, désireux d'en exploiter tout le potentiel.
Une étape importante franchie avec le MnBi6Te10
Sur la base du MnBi2Te4 découvert précédemment, une équipe de ct.qmat a maintenant mis au point un isolant topologique aux propriétés ferromagnétiques, le MnBi6Te10. Dans les matériaux ferromagnétiques, les atomes de manganèse individuels sont alignés magnétiquement en parallèle, ce qui signifie que tous leurs moments magnétiques pointent dans la même direction. En revanche, dans son prédécesseur antiferromagnétique, le MnBi2Te4, seuls les moments magnétiques à l'intérieur d'une seule couche du matériau sont alignés de cette manière. La légère modification de la composition chimique du cristal a un impact majeur, puisque l'isolant topologique ferromagnétique MnBi6Te10 présente un champ magnétique plus fort et plus robuste que son prédécesseur antiferromagnétique. "Nous avons réussi à fabriquer le matériau quantique MnBi6Te10 de manière à ce qu'il devienne ferromagnétique à 12 kelvins. Bien que cette température de -261 degrés Celsius soit encore bien trop basse pour les composants informatiques, il s'agit d'une première étape sur le long chemin du développement", explique le professeur Vladimir Hinkov de Würzburg. C'est son groupe qui a découvert que la surface du matériau présente des propriétés ferromagnétiques, ce qui lui permet de conduire le courant sans perte, alors que l'intérieur ne présente pas cette caractéristique.
La course au matériau miracle
L'équipe de recherche du ct.qmat n'était pas la seule à vouloir créer un isolant topologique ferromagnétique en laboratoire. "Après le succès remarquable de MnBi2Te4, les chercheurs du monde entier ont commencé à chercher d'autres candidats pour les isolants topologiques magnétiques. En 2019, quatre groupes différents ont synthétisé le MnBi6Te10, mais ce n'est que dans notre laboratoire que ce matériau extraordinaire a montré des propriétés ferromagnétiques", explique Mme Isaeva, aujourd'hui professeur de physique expérimentale à l'université d'Amsterdam.
Désordre antisite dans la structure atomique
Lorsque les chimistes des matériaux de Dresde, dirigés par Isaeva, ont laborieusement trouvé comment produire le matériau cristallin dans un processus proche du travail de détective, ils ont fait une découverte étonnante. Il s'est avéré que certains atomes devaient être repositionnés par rapport à leur couche atomique d'origine, ce qui signifie qu'ils devaient quitter leur disposition native dans le cristal. "La répartition des atomes de manganèse dans toutes les couches du cristal fait que les atomes de manganèse environnants font tourner leur moment magnétique dans la même direction. L'ordre magnétique devient contagieux", explique Isaeva. "Le désordre atomique antisite, le phénomène observé dans notre cristal, est généralement considéré comme perturbateur en chimie et en physique. Les structures atomiques ordonnées sont plus faciles à calculer et mieux comprises, mais elles ne donnent pas toujours le résultat escompté", ajoute M. Hinkov. "Ce désordre est le mécanisme critique qui permet au MnBi6Te10 de devenir ferromagnétique", souligne Isaeva.
Un réseau de collaboration pour la recherche de pointe
Les scientifiques du ct.qmat des deux universités TU Dresden et JMU Würzburg ainsi que de l'Institut Leibniz pour la recherche sur les corps et les matériaux (IFW) de Dresde ont collaboré à cette recherche novatrice. Les cristaux ont été préparés par une équipe de chimistes des matériaux dirigée par Isaeva (TU Dresden). Par la suite, le ferromagnétisme global des échantillons a été détecté à l'IFW, où le Dr Jorge I. Facio a également développé une théorie complète expliquant à la fois le ferromagnétisme du MnBi6Te10 caractérisé par un désordre antisite et ses contreparties antiferromagnétiques. L'équipe de M. Hinkov à l'université mixte de Würzburg a effectué les mesures de surface essentielles.
Les chercheurs travaillent actuellement à l'obtention du ferromagnétisme à des températures nettement plus élevées. Ils ont déjà réalisé des progrès initiaux, atteignant environ 70 kelvins. Simultanément, les températures ultra-basses auxquelles les effets quantiques exotiques se manifestent doivent être augmentées, car la conduction du courant sans perte ne commence qu'à 1 ou 2 kelvins.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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