De izquierda a derecha, Imagen de microscopio óptico de un cristal de MnBi2Te4 y boceto del estado topológico esperado del MnBi2Te4 en el espacio de momentos: Un único cono de Dirac bidimensional que tiene una brecha de energía debido a un orden magético fuera de plano (rojo) y estados de borde en 1D inducidos por la topología no trivial de la brecha magnética (en verde) en el espacio real. Evidencia experimental de la presencia del estado de Dirac con una brecha de energía en la superficie (0001) del MnBi2Te4 confirmada por Espectroscopia Fotoelectronica de Ángulo Resuelto de la estructura electrónica de superficie donde se muestra el estado de Dirac S2 y otro estado de superficie S1.

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 sensibles a la superficie bajo un campo externo aplicado y una configuración AFM en ausencia de campo externo. Estos datos de BOREAS aportaron una evidencia crucial de la presencia de orden magnético en la superficie.

Referencia: 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.