Heißblütiger topologischer Isolator

Quanteneffekte machen sich vor allem bei extrem tiefen Temperaturen bemerkbar, was ihren Nutzen für technische Anwendungen einschränkt. Dünnschichten aus MnSb₂Te₄ zeigen jedoch neue Talente, weil sie zu einem kleinen Überschuss an Mangan neigen. Offenbar sorgt die entstehende Unordnung für spektakuläre Eigenschaften: Das Material erweist sich als topologischer Isolator und ist ferro­magnetisch bis zu vergleichsweise hohen Temperaturen von fünfzig Kelvin, zeigen Messungen an BESSY II. Damit kommt diese Materialklasse für Quantenbits in Frage, aber auch generell für die Spintronik oder Anwendungen in der Hoch­präzisions-Metrologie.

Quanteneffekte wie der anomale Quanten-Hall-Effekt ermöglichen Sensoren mit höchster Empfindlichkeit, sind die Grundlage für spintronische Bauelemente in künftigen Informations­­technologien und auch für Qubits in Quanten­computern der Zukunft. Doch in der Regel zeigen sich die dafür relevanten Quanten­effekte nur bei sehr tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt und in besonderen Material­systemen deutlich genug, um nutzbar zu sein.

Nun hat ein internationales Team um Oliver Rader, Helmholtz-Zentrum Berlin, und Gunther Springholz, Universität Linz, in Dünnschichten von MnSb₂Te₄ zwei besonders wichtige physikalische Eigenschaften beobachtet: Solche Strukturen sind robuste topologische Isolatoren und außerdem ferromagnetisch bis zu knapp fünfzig Kelvin. „Den bislang publizierten theoretischen Betrachtungen zufolge, sollte das Material weder ferro­magnetisch noch topologisch sein“, sagt Rader. „Wir haben genau diese beiden Eigenschaften nun aber experimentell nachgewiesen.“

Die Gruppe kombinierte Messungen von spin- und winkel­aufgelöster Photo­emissions­spektroskopie (ARPES) und magnetischen Röntgen­­zirkular­dichroismus (XMCD) an BESSY II, untersuchte die Oberflächen mit Raster­tunnel­­mikroskopie (STM) und -spektroskopie (STS), und führte weitere Untersuchungen durch. „Dadurch ist nun auch klar, warum in diesem Fall die theoretische Betrachtung zu einem anderen Resultat gekommen ist – die Theorie ging von einer ideal geordneten Struktur aus, aber wir sehen, dass die zusätzlichen Mangan-Atome zu einer gewissen Unordnung geführt haben. Das erklärt den Unterschied“, so Rader.

Die Eigenschaften sind außerordentlich robust und treten bis zu einer Temperatur von knapp fünfzig Kelvin auf, das liegt dreimal höher als bei den besten ferro­magnetischen Systemen zuvor. Damit ist dieses Material ein interessanter Kandidat für die Spintronik und sogar für Qubits.

HZB / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Wimmer et al.: Mn-rich MnSb₂Te₄: A topological insulator with magnetic gap closing at high Curie temperatures of 45-50 K, Adv. Mater., online 1. September 2021; DOI: 10.1002/adma.202102935
• Spin und Topologie in Quantenmaterialien (O. Rader), Helmholtz-Zentrum Berlin

Weitere Beiträge

• T. Neupert und F. Schindler, Topologische Isolatoren 2.0 (Physik journal, Juni 2021, S. 28)
• M. Stehno, H. Buhmann und L. W. Molenkamp, Eine neue Materialklasse (Physik Journal, August/September 2017, S. 39)
• E. Meyer und A. Szameit, Erhellende Topologie (Physik Journal, Mai 2017, S. 29)