a, b, Imagen de microscopio óptico de un cristal de MnBi2Te4 y boceto del estado de superficie topológico (en verde) en el espacio real. c, d, Prueba experimental en base a Espectroscopia de Fotoemisión de Ángulo Resuelto de los estados de superficie S1 y S2 (en medio) y un boceto relacionado del estado topológico de superficie (verde) y bandas del material en volumen divididas por la banda prohibida en el espacio de momentos.
Cerdanyola del Vallès, 19 de diciembre de 2019. En los materiales cuánticos, existe una compleja interacción entre la carga, el espín y el momento orbital de los electrones que se añade a sus ya de por si exóticas propiedades, como la superconductividad a altas temperaturas, la magnetoresistencia colosal y la cuantización de la conductividad. Muy a menudo, son necesarias condiciones muy especiales – como temperaturas muy bajas, campos magnéticos extremos o presión alta – para que estas propiedades se manifiesten. En la búsqueda por aprovechar los efectos cuánticos a nuestro favor, los investigadores buscan materiales que exhiban estas propiedades a temperatura ambiente, cero campos magnéticos externos y a presión atmosférica.
Siguiendo el descubrimiento experimental del primer aislante topológico (TI) Bi2Te3 en 2009, ha emergido un nuevo concepto de investigación del transporte cuántico. Hoy en día los esfuerzos se concentran especialmente en fases topológicas magnéticas que presentan transporte cuántico de espín en presencia de orden magnético. Los aislantes topológicos magnéticos (MTI, por sus siglas en inglés) son un ejemplo particular. Estos sistemas están concebidos como un caldo de cultivo para las quasi-partículas nóveles y los fenómenos cuánticos exóticos, mientras que su realización experimental supone todo un reto.
Investigadores del Leibniz IFW de Dresden y la Technische Universität de Dresden han desarrollado la primera técnica de crecimiento de cristales para el primer material topológico intrínsecamente magnético MnBi2Te4. Este material en "crudo" (volumen) es estructuralmente similar al "padre" de todos los aislantes topológicos, el Bi2Te3, pero incorporando una subred de átomos de manganeso. Estos centros magnéticos ordenados establecen un estado antiferromagnético 3D de largo alcance por debajo de los 24 Kelvin (-249ºC) . Tal y como ha sido esclarecido por los teóricos del Donostia International Physics Centre (DIPC) en el País Vasco, los ingredientes esenciales del "sabor" topológico del MnBi2Te4 son su estructura trigonal y el acoplamiento antiferromagnético entre capas. En los estados de superficie se manifiesta topología no trivial que los físicos experimentales de la Universidad de Würzburg, Alemania, y la Universidad del Estado de San Petersburgo, Rusia, observaron de forma independiente gracias a la espectroscopia de fotoemisión avanzada de ángulo resuelto. Los experimentos llevados a cabo en BOREAS utilizando las técnicas de XMCD y XMLD contribuyeron a investigar las propiedades magnéticas y a establecer la naturaleza antiferromagnética del material.
Todas las piezas de este puzle se unen en el artículo publicado en Nature para confirmar que el MnBi2Te4 es el primer aislante topológico antiferromagnético por debajo de su temperatura de Néel.
Las potenciales implicaciones de este descubrimiento son múltiples. El material MnBi2Te4 de estructura laminar de tipo Van der Waals abre una nueva vía más allá del dopaje en el campo de los aislantes topológicos magnéticos, concretamente la de los compuestos estequiométricos intrínsecamente magnéticos, y es muy prometedora para la espintrónica antiferromagnética, el magnetismo 2D y el transporte cuántico sin la necesidad de fuertes campos magnéticos externos (el efecto Hall cuántico anómalo).
Medidas XAS y XMCD donde se muestran las señales magnéticas bajo un campo externo aplicado y una configuración AFM en ausencia de campo magnético externo.
