Neues Quantenmaterial: Mangan-Bismut-Tellurid

Ein internationales Konsortium von Chemikern und Physikern hat eine neue Art von Quanten­material mit intrinsisch magne­tischen und topolo­gischen Eigen­schaften entdeckt. Für Anwen­dungen in der Spintronik, zweidimen­sionalen Magne­tismus und Quanten­transport ist es besonders inte­ressant, weil es ohne Dotierung und starke äußere Magnet­felder auskommt.

Seit ihrer Entdeckung im Jahr 2009 sind topologische Isolatoren ein heißes Eisen der Material­physik. Das Besondere an ihnen ist, dass sie gleichzeitig als Isolatoren und als elektrische Leiter agieren können. Während im Inneren der Kristalle ein elektrisch isolierender Zustand herrscht, sind die Kristall­oberflächen elektrisch leitend. Das große wissen­schaftliche Interesse an topologischen Isolatoren rührt von den neuen Quanten­zuständen, die in diese Material­klasse zu beobachten sind. Als eine Art Brut­stätte für neuartige Quasi­teilchen und exotische Quanten­phänomene sind sie sowohl für die theore­tische Beschrei­bung als auch für die Synthese und experi­mentelle Unter­suchung eine große Heraus­forderung.

Besondere Anstrengungen werden unter­nommen, um die Wechsel­wirkung topolo­gischer Phasen in magneti­schen topolo­gischen Isola­toren zu unter­suchen. Forscher des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoff­forschung Dresden und der TU Dresden haben eine Technik entwickelt, mit der die ersten Einkris­talle des magnetischen topolo­gischen Materials Mangan-Bismut-Tellurid gezüchtet worden sind. Diese Substanz ähnelt strukturell dem Klassiker der topologischen Isolatoren, Bismut-Tellurid, weist jedoch zusätzlich ein perio­disches Unter­gitter von Mangan-Atomen auf. Bei einer Temperatur von unter 24 Kelvin bilden diese Mangan-Atome ein geord­netes dreidimen­sionales magnetisches Gitter.

Theorie-Kollegen aus Spanien haben heraus­gefunden, dass die wesentlichen topologischen Eigen­schaften von Mangan-Bismut-Tellurid von der trigonalen Kristall­struktur und der anti­ferro­magneti­schen Kopplung der Zwischen­schichten hervor­gerufen wird. Die nicht-triviale Topologie manifes­tiert sich in den Oberflächen­zuständen, die Experimen­tatoren aus Würzburg und Sankt Petersburg unabhängig vonein­ander mit winkel­aufgelöster Photo­elektronen­spekto­skopie unter­suchten. Alle Teile dieses Puzzles sind in einem kürzlich erschienenen Artikel im Fachblatt Nature zusammen­gefasst. Im Ergebnis wird bestätigt, dass Mangan-Bismut-Tellurid der erste anti­ferro­magnetische topolo­gische Isolator unterhalb seiner Néel-Temperatur ist, das heißt in dem Temperatur­bereich, in dem sich eine langreich­weitige magnetische Ordnung etabliert.

Diese Entdeckung hat eine große Bedeutung für mögliche Anwendungen der topolo­gischen Isolatoren. Das neue Material Bismut-Mangan-Tellurid eröffnet die Möglich­keit, auf die Dotierung und auf starke externe Magnet­felder zu verzichten, da der Magne­tismus bereits intrinsisch in der stöchio­metrischen Verbindung angelegt ist.

L-IFW / OD

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. M. Otrokov et al.: Prediction and observation of the first antiferromagnetic topological insulator, Nature 576, 416, online 18. Dezember 2019; DOI:  10.1038/s41586-019-1840-9
• Forschungsgruppe „Topologische Materialien“ (A. Isaeva), Professur für Anorganische Chemie II (M. Ruck), Technische Universität Dresden