D'esquerra a dreta, Imatge de microscopi òptic d'un cristall de MnBi2Te4 i un esbós de l'estat topològic esperat del MnBi2Te4 a l'espai de moments: Un únic con de Dirac bidimensional que té una bretxa d'energia a causa d'un ordre magnètic fora de pla (vermell) i estats de vora en 1D induïts per la topologia no trivial de la bretxa magnètica (en verd) de l'espai real. Evidència experimental de la presència de l'estat de Dirac amb una bretxa d'energia a la superfície (0001) del MnBi2Te4 confirmada per Espectroscòpia Fotoelectrònica d'Angle Resolt de l'estructura de superfície on es mostra l'estat de Dirac S2 i un altre estat de superfície S1.

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 sensibles a la superfície sota un camp extern aplicat i una configuració AFM en absència de camp extern. Aquestes dades de BOREAS van aportar una evidència crucial de la presència d'ordre magnètic a la superfície.

Referència: 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. Rusinov, A. Yu. Vyazovskaya, S. V. Eremeev, Yu. M. Koroteev, V. Kuznetsov, F. Freyse, J. Sanchez-Barriga, I. R. Amiraslanov, M. B. Babanly, N. T. Mamedov, N. A. Abdullayev, V. N. Zverev, A. Alfonsov, V. Kataev, B. Büchner, E. Schwier, S. Kumar, A. Kimura, L. Petaccia, G. Di Santo, R. C. Vidal, S. Schatz, K. Kißner, M. Ünzelmann, C.-H. Min, S. K. Moser, T. R. F. Peixoto, F. Reinert, A. Ernst, P. M. Echenique, A. Isaeva, E. V. Chulkov. Prediction and observation of the first antiferromagnetic topological insulator. Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1840-9.