Überraschung aus der Quantenwelt

21.03.2023

Das Würzburg-Dresdener Exzellenzcluster ct.qmat hat einen ferromagnetischen topologischen Isolator designt – ein Meilenstein auf dem Weg zu energieeffizienten Quantentechnologien.

Der Ferromagnetismus des topologischen Isolators Mangan-Bismut-Tellurid entsteht erst, wenn die Atomstruktur in Fehlordnung gerät. Dafür müssen manche Mangan-Atome (grün) aus ihrer ursprünglichen Position (zweite grüne Atomebene von oben) herausbewegt werden. Erst wenn sich in allen Ebenen mit Bismut-Atomen (grau) auch Mangan-Atome befinden, ist die magnetische Ausrichtung der Mangan-Atome so ansteckend, dass Ferromagnetismus entsteht. (Bild: Jörg Bandmann / ct.qmat)

Schon 2019 gelang einem internationalen Forschungsteam rund um die Materialchemikerin Anna Isaeva – damals Juniorprofessorin am Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster ct.qmat – Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien – mit der Herstellung des ersten antiferromagnetischen topologischen Isolators Mangan-Bismut-Tellurid (MnBi₂Te₄) eine kleine Sensation.

Dieser Wunderwerkstoff braucht kein starkes äußeres Magnetfeld mehr – er bringt sein eigenes inneres Magnetfeld mit. Dies bietet die Chance für neuartige elektronische Bauelemente, die Informationen magnetisch kodieren und auf der Oberfläche widerstandsfrei transportieren. Somit könnte Informationstechnologie künftig beispielsweise nachhaltiger und energiesparender werden. Weltweit analysieren Forschende seither unterschiedliche Facetten dieses vielversprechenden Quantenmaterials.

Mit MnBi₆Te₁₀ Meilenstein gelungen

Basierend auf MnBi₂Te₄ hat ein Team des Exzellenzclusters ct.qmat nun einen topologischen Isolator mit ferromagnetischer Ordnung gezielt maßgeschneidert – MnBi₆Te₁₀.

Ferromagnetisch bedeutet: Alle magnetischen Momente der einzelnen Mangan-Atome zeigen in die gleiche Richtung. Im Unterschied zum antiferromagnetischen Vorgänger MnBi₂Te₄, bei dem nur die magnetischen Momente innerhalb einer einzelnen Materialschicht in die gleiche Richtung zeigen.

Der kleine Unterschied in der Zusammensetzung des Kristalls aus einzelnen chemischen Elementen bewirkt tatsächlich Großes, denn der ferromagnetische topologische Isolator MnBi₆Te₁₀ hat ein robustes und stärkeres eigenes Magnetfeld als sein antiferromagnetischer Vorgänger.

„Wir konnten das Quantenmaterial MnBi₆Te₁₀ so herstellen, dass es bereits bei 12 Kelvin ferromagnetisch wird. Auch wenn diese minus 261 Grad Celsius für Bauelemente nach wie vor zu niedrig sind, ist das der erste Schritt auf einem noch langen Weg“, erklärt der Würzburger Professor Vladimir Hinkov. Seine Forschungsgruppe hat den Ferromagnetismus mit Messungen auf der Materialoberfläche nachgewiesen – dort, wo der magnetische topologische Isolator Strom verlustfrei leitet, während er im Innern isoliert.

Wettlauf um den Wunderwerkstoff

Das ct.qmat-Forschungsteam war nicht das einzige, das im Labor an einem ferromagnetischen topologischen Isolator gearbeitet hat: „Nach dem großen Erfolg von MnBi₂Te₄ wurde weltweit sofort nach weiteren Kandidaten für magnetische topologische Isolatoren gesucht. 2019 haben dann insgesamt vier Gruppen MnBi₆Te₁₀ als neuen Hoffnungsträger synthetisiert – allerdings war der Wunderwerkstoff nur bei uns ferromagnetisch“, sagt Isaeva, heute Professorin für Experimentelle Physik an der Universität Amsterdam.

Fehlordnung im System

In nahezu detektivischer Arbeit haben die Dresdner Materialchemikerinnen und Materialchemiker um Isaeva herausgefunden, wie sich ein solches kristallines Material fertigen lässt.

Dabei machten sie eine verblüffende Entdeckung: Manche Atome müssen aus ihrer eigentlichen Atomschicht umpositioniert werden, ihre ideale Anordnung im Kristall also verlassen. „Durch die Verteilung von Mangan-Atomen in alle Kristallschichten werden die umliegenden Mangan-Atome angeregt, ihr magnetisches Moment in die gleiche Richtung zu drehen – die magnetische Ordnung ist ansteckend“, so Isaeva.

„Atomare Fehlordnung, wie sie in unserem Kristall herrscht, gilt in der Chemie und Physik meist als störend. Geordnete Atomstrukturen können einfacher berechnet und besser verstanden werden, führen aber nicht immer zu einem Ergebnis“, ergänzt Hinkov. „Für uns ist gerade diese Fehlordnung der entscheidende Mechanismus, damit MnBi₆Te₁₀ ferromagnetisch wird“, betont Isaeva.

Netzwerk für Spitzenforschung

An der Forschungsleistung waren Cluster-Forschende der Technischen Universität (TU) Dresden, der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg und des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden beteiligt. Die Kristalle wurden von Materialchemikerinnen und Materialchemikern rund um Isaeva (TU Dresden) hergestellt. Anschließend wurde der Ferromagnetismus im Volumen der Proben am IFW Dresden nachgewiesen. Hier entwickelte Dr. Jorge I. Facio zudem eine umfassende Theorie, die den Ferromagnetismus des fehlgeordneten MnBi₆Te₁₀ sowie ebenso die antiferromagnetischen Konkurrenten erklärt. Die entscheidenden Oberflächenmessungen verantwortete das Team um Hinkov von der JMU Würzburg.

Aktuell arbeiten die Forschenden daran, dass der Ferromagnetismus bei deutlich höheren Temperaturen entsteht. Erste Ergebnisse gibt es bereits für ca. 70 Kelvin. Zugleich müssen die ultratiefen Temperaturen erhöht werden, bei denen sich die exotischen Quanteneffekte zeigen, denn die verlustfreie Stromleitung setzt erst bei 1 bis 2 Kelvin ein.

Exzellenzcluster ct.qmat

Das Exzellenzcluster ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter (Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien) wird seit 2019 gemeinsam von der Julius-Maximilians-Universität Würzburg und der TU Dresden getragen.

Fast 400 Forschende aus mehr als 30 Ländern und von vier Kontinenten untersuchen topologische Quantenmaterialien, die unter extremen Bedingungen wie ultratiefen Temperaturen, hohem Druck oder starken Magnetfeldern überraschende Phänomene offenbaren. Das Exzellenzcluster wird im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder gefördert – als einziges bundeslandübergreifendes Cluster in Deutschland.

Publikation

Intermixing-Driven Surface and Bulk Ferromagnetism in the Quantum Anomalous Hall Candidate MnBi₆Te₁₀. Abdul-Vakhab Tcakaev, Bastian Rubrecht, Jorge I. Facio, Volodymyr B. Zabolotnyy, Laura T. Corredor, Laura C. Folkers, Ekaterina Kochetkova, Thiago R. F. Peixoto, Philipp Kagerer, Simon Heinze, Hendrik Bentmann, Robert J. Green, Pierluigi Gargiani, Manuel Valvidares, Eugen Weschke, Maurits W. Haverkort, Friedrich Reinert, Jeroen van den Brink, Bernd Büchner, Anja U. B. Wolter, Anna Isaeva, Vladimir Hinkov, Advanced Science 2023, 2203239

Open Access: https://doi.org/10.1002/advs.202203239