Unordnung bringt quantenphysikalische Talente zum Vorschein
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 50 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. (Quelle: HZB – Pressemitteilungen)
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.
Ferromagnetischer Topologischer Isolator
Ein Team um den HZB-Physiker Prof. Dr. Oliver Rader aus dem Helmholtz-Forschungsbereich Information und Prof. Dr. Gunther Springholz von der Universität Linz hat in Dünnschichten von MnSb2Te4 zwei besonders wichtige physikalische Eigenschaften beobachtet: Solche Strukturen sind robuste Topologische Isolatoren und außerdem ferromagnetisch bis zu knapp 50 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.“
Unordnung macht den Unterschied
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.
Robust bis zu 50 Kelvin
Die Eigenschaften sind außerordentlich robust und treten bis zu einer Temperatur von knapp 50 K auf, das liegt dreimal höher als bei den besten ferromagnetischen Systemen zuvor (siehe Nature, 2019). Damit ist dieses Material ein interessanter Kandidat für die Spintronik und sogar für Qubits. (Quelle: HZB – Pressemitteilung)
Die Original-Pressemitteilung finden Sie unter:
Unordnung bringt quantenphysikalische Talente zum Vorschein
Die Originalpublikation finden Sie unter (Open Access):
Stefan Wimmer, Jaime Sánchez-Barriga, Philipp Küppers, Andreas Ney, Enrico Schierle, Friedrich Freyse, Ondrej Caha, Ján Michalička, Marcus Liebmann, Daniel Primetzhofer, Martin Hoffman, Arthur Ernst, Mikhail M. Otrokov, Gustav Bihlmayer, Eugen Weschke, Bella Lake, Evegnii V. Chulkov, Markus Morgenstern, Günther Bauer, Gunther Springholz, Oliver Rader: Mn-rich MnSb2Te4: A topological insulator with magnetic gap closing at high Curie temperatures of 45-50 K. Advanced Materials (2021), DOI: 10.1002/adma.202102935
Verortung im Helmholtz-Forschungsbereich Information:
Helmholtz-Forschungsbereich Information, Programm 2: Natural, Artificial and Cognitive Information Processing, Topic 1: Quantum Materials
Kontakt:
Prof. Dr. Oliver Rader
Abteilungsleiter Spin und Topologie in Quantenmaterialien am Institut für Quanten- und Funktionale Materialien
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB)
Tel.: +49 30 8062 – 12950
E-Mail: rader@helmholtz-berlin.de
