Ferromagnetischer topologischer Isolator

  Struktur von MnSb2Te4 Urheberrecht: © ML4Q

In einer koordinierten Arbeit mit Gunther Springholz (Johannes Kepler Universität, Österreich) und Oliver Rader (Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie) hat ML4Q-Mitglied Markus Morgenstern an der RWTH Aachen die Ergebnisse seiner jüngsten Arbeit über ferromagnetische topologische Isolatoren in Advanced Materials veröffentlicht. In ihrer Arbeit zeigen die Autoren, dass der p-Typ MnSb2Te4, der bisher als topologisch trivial galt, bei einem Mn-Überschuss von wenigen Prozent ein ferromagnetischer topologischer Isolator ist.

Quanteneffekte machen sich vor allem bei extrem niedrigen Temperaturen bemerkbar, was ihre Nützlichkeit für technische Anwendungen einschränkt. Dünne Schichten aus MnSb2Te4, die einen geringen Überschuss an Mangan aufweisen, zeigen jedoch spektakuläre Eigenschaften: Das Material erweist sich als topologischer Isolator und ist bis zu vergleichsweise hohen Temperaturen von 50 Kelvin ferromagnetisch. Damit eignet sich diese Materialklasse für Quantenbits, aber auch für die Spintronik im Allgemeinen oder Anwendungen in der hochpräzisen Messtechnik.

In dieser Studie werden zwei besonders wichtige physikalische Eigenschaften in dünnen Schichten aus MnSb2Te4 beschrieben: Solche Strukturen sind robuste topologische Isolatoren und außerdem ferromagnetisch bis zu fast 50 Kelvin. "Nach den bisher veröffentlichten theoretischen Überlegungen sollte das Material weder ferromagnetisch noch topologisch sein", sagt Oliver Rader. "Wir haben nun aber genau diese beiden Eigenschaften experimentell nachgewiesen." Offenbar ging die Theorie von einer ideal geordneten Struktur aus, doch die Autoren sehen, dass zusätzliche Manganatome zu einer gewissen Unordnung geführt haben, was den Unterschied in den beobachteten Materialeigenschaften erklärt.

Die Eigenschaften sind außergewöhnlich robust und treten bis zu einer Temperatur von knapp 50 K auf, was dreimal höher ist als bei den besten bekannten ferromagnetischen Systemen. Dies macht dieses Material zu einem interessanten Kandidaten für die Spintronik und sogar für Qubits.

basierend auf der Pressemitteilung des HZB für Materialien und Energie

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Publikation:
Mn-Rich MnSb2Te4: A Topological Insulator with Magnetic Gap Closing at High Curie Temperatures of 45–50 K
Stefan Wimmer, Jaime Sánchez-Barriga, Philipp Küppers, Andreas Ney, Enrico Schierle, Friedrich Freyse, Ondrej Caha, Jan Michalička, Marcus Liebmann, Daniel Primetzhofer, Martin Hoffman, Arthur Ernst, Mikhail M. Otrokov, Gustav Bihlmayer, Eugen Weschke, Bella Lake, Evgueni V. Chulkov, Markus Morgenstern, Günther Bauer, Gunther Springholz and Oliver Rader
Advanced Materials (published online 1 September 2021), DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202102935