Sorpresa en el mundo cuántico

El desorden conduce a un aislante topológico ferromagnético

23.03.2023 - Alemania

Los aislantes topológicos magnéticos son una clase exótica de materiales que conducen electrones sin resistencia alguna, por lo que se consideran un avance prometedor en la ciencia de materiales. Investigadores del clúster de excelencia ct.qmat de Wurzburgo y Dresde han logrado un hito importante en la búsqueda de tecnologías cuánticas energéticamente eficientes al diseñar el aislante topológico ferromagnético MnBi6Te10, de la familia de los telururos de manganeso y bismuto. Lo sorprendente de este material cuántico es que sus propiedades ferromagnéticas sólo se producen cuando algunos átomos intercambian su lugar, introduciendo un desorden antisitio. Los resultados se han publicado en la revista Advanced Science.

Presagios de una nueva tecnología

En 2019, un equipo internacional de investigación dirigido por la química de materiales Anna Isaeva, en aquel momento profesora junior en ct.qmat (Complexity and Topology in Quantum Matter), causó revuelo al fabricar el primer aislante topológico antiferromagnético del mundo: el telururo de manganeso y bismuto (MnBi2Te4). Este extraordinario material posee su propio campo magnético interno, lo que allana el camino a nuevos tipos de componentes electrónicos capaces de almacenar información magnéticamente y transportarla por la superficie sin resistencia alguna. Esto podría revolucionar los ordenadores haciéndolos más sostenibles y eficientes energéticamente. Desde entonces, investigadores de todo el mundo han estudiado activamente diversos aspectos de este prometedor material cuántico, deseosos de liberar todo su potencial.

Hito logrado con el MnBi6Te10

A partir del MnBi2Te4 ya descubierto, un equipo de ct.qmat ha creado un aislante topológico con propiedades ferromagnéticas conocido como MnBi6Te10. En los materiales ferromagnéticos, los átomos individuales de manganeso están alineados magnéticamente en paralelo, lo que significa que todos sus momentos magnéticos apuntan en la misma dirección. En cambio, en su predecesor antiferromagnético, el MnBi2Te4, sólo los momentos magnéticos dentro de una única capa del material están alineados de este modo. El ligero cambio en la composición química del cristal tiene un gran impacto, ya que el aislante topológico ferromagnético MnBi6Te10 exhibe un campo magnético más fuerte y robusto que su predecesor antiferromagnético. "Hemos conseguido fabricar el material cuántico MnBi6Te10 de tal manera que se vuelve ferromagnético a 12 Kelvin. Aunque esta temperatura de -261 grados Celsius sigue siendo demasiado baja para los componentes informáticos, se trata del primer paso en el largo camino del desarrollo", explica el profesor Vladimir Hinkov, de Würzburg. Fue su grupo el que descubrió que la superficie del material presenta propiedades ferromagnéticas, lo que le permite conducir la corriente sin pérdidas, mientras que su interior no comparte esta característica.

Carrera por el material milagroso

El equipo de investigación de ct.qmat no era el único que pretendía crear un aislante topológico ferromagnético en el laboratorio. "Tras el notable éxito del MnBi2Te4, investigadores de todo el mundo comenzaron a buscar más candidatos a aislantes topológicos magnéticos. En 2019, cuatro grupos diferentes sintetizaron MnBi6Te10, pero solo en nuestro laboratorio este extraordinario material mostró propiedades ferromagnéticas", explica Isaeva, ahora profesora de física experimental en la Universidad de Ámsterdam.

Desorden antisitio en la estructura atómica

Cuando los químicos de materiales de Dresde dirigidos por Isaeva averiguaron minuciosamente cómo producir el material cristalino en un proceso similar al de un detective, hicieron un descubrimiento asombroso. Resultó que algunos átomos necesitaban ser reposicionados de su capa atómica original, lo que significaba que tenían que abandonar su disposición nativa en el cristal. "La distribución de los átomos de manganeso en todas las capas del cristal hace que los átomos de manganeso circundantes hagan girar su momento magnético en la misma dirección. El orden magnético se vuelve contagioso", explica Isaeva. "El desorden atómico antisitio, el fenómeno observado en nuestro cristal, suele considerarse perturbador en química y física. Las estructuras atómicas ordenadas son más fáciles de calcular y se comprenden mejor, pero no siempre dan el resultado deseado", añade Hinkov. "Este mismo desorden es el mecanismo crítico que permite que el MnBi6Te10 se vuelva ferromagnético", subraya Isaeva.

Red de colaboración para la investigación de vanguardia

En esta innovadora investigación han colaborado científicos de ct.qmat de las universidades TU Dresden y JMU Würzburg, así como del Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) de Dresden. Los cristales fueron preparados por un equipo de químicos de materiales dirigido por Isaeva (TU Dresde). Posteriormente, el ferromagnetismo en masa de las muestras se detectó en el IFW, donde el Dr. Jorge I. Facio también desarrolló una teoría exhaustiva que explica tanto el ferromagnetismo del MnBi6Te10 caracterizado por el desorden antisita como sus contrapartidas antiferromagnéticas. El equipo de Hinkov en la JMU de Würzburg realizó las mediciones vitales de la superficie.

Los investigadores trabajan actualmente para conseguir el ferromagnetismo a temperaturas considerablemente más altas. Ya han hecho los primeros progresos, alcanzando alrededor de 70 Kelvin. Al mismo tiempo, es necesario aumentar las temperaturas ultrabajas a las que se manifiestan los exóticos efectos cuánticos, ya que la conducción de corriente sin pérdidas sólo comienza entre 1 y 2 Kelvin.

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