a, b, Imatge de microscopi òptic d'un cristall de MnBi2Te4 i esbós de l'estat de superfície topològic (en verd) en l'espai real. c, d, Prova experimental a partir de Espectroscòpia de Fotoemissió d'Angle Resolt dels estats de superfície S1 i S2 (al mig) i un esbós relacionat de l'estat topològic de superfície (verd) i bandes del material en volum dividides per la banda prohibida en l'espai de moments.
Cerdanyola del Vallès, 19 de Desembre de 2019. En els materials quàntics, hi ha una complexa interacció entre la càrrega, l’spin i el moment orbital dels electrons que s'afegeix als seves ja de per si exòtiques propietats, com la superconductivitat a altes temperatures, la magnetoresistència gegant i colossal i la quantització de la conductivitat. Molt sovint, són necessàries condicions molt especials - com temperatures molt baixes, camps magnètics extrems o pressió alta - perquè aquestes propietats es manifestin. En la recerca per aprofitar els efectes quàntics al nostre favor, els investigadors busquen materials que exhibeixin aquestes propietats a temperatura ambient, zero camps magnètics externs i a pressió atmosfèrica.
Seguint el descobriment experimental del primer aïllant topològic (TI) Bi2Te3 el 2009, ha emergit un nou concepte d'investigació del transport quàntic. Avui dia els esforços es concentren especialment en fases topològiques magnètiques que presenten transport quàntic de spin en presència d'ordre magnètic. Els aïllants topològics magnètics (MTI, per les sigles en anglès) són un exemple particular. Aquests sistemes estan concebuts com un caldo de cultiu per a les quasipartícules novells i els fenòmens quàntics exòtics, mentre que la seva realització experimental suposa tot un repte.
Investigadors del Leibniz IFW de Dresden i la Technische Universität de Dresden han desenvolupat la primera tècnica de creixement de cristalls per al primer material topològic intrínsecament magnètic MnBi2Te4. Aquest material en "cru" (volum) és estructuralment similar al "pare" de tots els aïllants topològics, el Bi2Te3, però incorporant-hi una subxarxa d'àtoms de manganès. Aquests centres magnètics ordenats estableixen un estat antiferromagnètic 3D de llarg abast per sota dels 24 Kelvin (-249ºC). Tal com ha estat aclarit pels matemàtics del Donostia International Physics Centre (DIPC), al País Basc, els ingredients essencials del "gust" topològic del MnBi2Te4 són la seva estructura trigonal i l'acoblament antiferromagnètic entre capes. En els estats de superfície es manifesta topologia no trivial que els físics experimentals de la Universitat de Würzburg, Alemanya, i la Universitat de l'Estat de Sant Petersburg, Rússia, van observar de forma independent gràcies a l'espectroscòpia de fotoemissió avançada d'angle resolt. Els experiments portats a terme a BOREAS utilitzant XMCD i XMLD van contribuir a investigar les propietats magnètiques i a establir la naturalesa antiferromagnètica del material.
Totes les peces d'aquest puzle s'uneixen en l'article publicat a Nature per confirmar que el MnBi2Te4 és el primer aïllant topològic antiferromagnètic per sota de la seva temperatura de Néel.
Les potencials implicacions d'aquest descobriment són múltiples. El material MnBi2Te4 d’estructura laminar de tipus Van der Waals obre una nova via més enllà del dopatge en el camp dels aïllants topològics magnètics, en concret, aquells components estequiomètrics intrínsecament magnètics i és molt prometedora per a l’espintrònica antiferromagnètica, el magnetisme 2D i el transport quàntic sense la necessitat de forts camps magnètics externs (l'efecte Hall quàntic anòmal).
Mesures XAS i XMCD on es mostren els senyals magnètics sota un camp extern aplicat i una configuració AFM en absència de camp magnètic aplicat.
