Cerdanyola del Vallès, 27 març 2020 Els aïllants topològics, materials innovadors que condueixen l'electricitat en les seves superfícies però que es comporten com aïllants en el seu interior, deuen les seves peculiars propietats a un efecte conegut com inversió de banda, on les bandes normals de conducció i valència s'intercanvien espacialment. Es creu que la magnetització podria controlar aquesta inversió de banda, oferint una potencial via per manipular el comportament topològic amb noves formes emocionants. Tanmateix, encara no s'havia trobat un material adequat que tingués una inversió de banda i també una xarxa de magnetització intrínseca, fins ara. Un article publicat a la revista Physical Review X, un equip internacional liderat per universitats i instituts d'investigació a Würzburg i Dresden, ha informat sobre la primera creació d'aquest material.
El tel·lurur de manganès i bismut MnBi4Te7 és membre de la recentment descoberta família d'heteroestructures naturals que exhibeixen comportaments antiferromagnètics i topològics. Aplicant una varietat de tècniques experimentals a cristalls individuals d'alta qualitat de MnBi4Te7, l'equip d'investigació ha descobert el seu complex comportament magnètic amb estats magnètics competitius en funció de la temperatura (Fig. 1). Per caracteritzar les propietats electròniques i magnètiques, s'han utilitzat tant tècniques basades en radiació sincrotró com tècniques de laboratori, en particular, l'espectroscòpia de fotoemissió en angle resolt (ARPES) al Diamond Light Source, al Advanced Light Source i a Petra III-Desy, així com el dicroisme circular i linear magnètics amb raigs X (XMCD i XMLD) a l'ALBA. La tècnica ARPES i els càlculs teòrics han confirmat la presència d'una estructura de banda invertida. Al refredar els cristalls a pocs graus per damunt del zero absolut, s'ha identificat un règim on una xarxa de magnetització de la mostra coincideix amb la presència d'un estat superficial topològic (Fig. 2). Aquesta fase no s'havia realitzat prèviament en cap material estequiomètric (és a dir, compostos les proporcions elementals dels quals són proporcions de números naturals). Els experiments de XMLD i XMCD a la línia de llum BOREAS de l'ALBA han estat claus per a provar directament els estats antiferromagnètics i ferromagnètics que MnBi4Te7 adopta en funció de la temperatura (Fig. 3).
Aquests resultats són un avenç important en la recerca de noves classes de materials topològics. Gràcies a les seves versàtils propietats magnètiques i electròniques, el MnBi4Te7 estableix una plataforma de material única per a la realització de fenòmens quàntics topològics ajustables. Això proporciona unes perspectives fascinants per la creació d'efectes quàntics en materials.
Fig.1 Esquerra: (a) Estructura de MnBi4Te7 amb capes alternatives de Bi2Te3 i MnBi2Te4. Àtoms de Mn en verd, Bi en blau, Te en taronja. (b) Cristalls creixents de As. Dreta: diagrama esquemàtic de la fase topològica de MnBi4Te7. L'esquema reflecteix les tendències experimentals observades: un estat paramagnètic correlacionat per damunt de TN és seguit per una fase antiferromagnètica que a temperatures més baixes evoluciona a un estat magnètic amb un fort component ferromagnètic. El text en vermell ressalta les possibles topologies no trivials.
Fig.2. Estructura electrònica de la superfície de MnBi4Te7 (0001) mesurada amb ARPES. (a) Conjunt de dades resum de l'estructura de banda de valència obtinguda en T = 8 K que mostra els característics estats de superfície SS1 i SS2 i una característica relacionada amb els estats Mn 3d. (b),(c),(f) Conjunts de dades d'alta resolució de l'estructura electrònica propera a EF obtinguts a diferents energies de fotons i una temperatura de T = 8 K, mostrant un estat de superfície topològica (TSS) en l'espai entre la conducció i els estats derivats de la banda de valència (BCB i BVB). (d) Dependència fotó-energia de la intensitat ARPES a EF (T=8 K) (e) Igual que en (f), però per T = 80 K. (g) Igual que en (f), però per una terminació de capa sèptuple (SL).
Fig3. Espectroscòpia de les propietats magnètiques en MnBi4Te7. (d) Dades de XMCD i (e) de XMLD per MnBi4Te7 (0001) obtinguts en el límit d'absorció Mn L2,3 amb llum polaritzada circularment (RCP i LCP) i linealment (LV i LH), respectivament. Les mesures es realitzen en geometries d'incidència de llum normal (NI) i rasant (GI), tal com es veu en el requadre (d). Els senyals de XMCD es mostren per un camp extern (μ0H = 6 T) al llarg de la direcció d'incidència de la llum i per a condicions romanents (μ0H = 0 T) a T = 2 K. (e) Les dades de XMLD sense camp extern es mostren per a diferents temperatures.
Referència: Raphael C. Vidal, Alexander Zeugner, Jorge I. Facio, Rajyavardhan Ray, M. Hossein Haghighi, Anja U. B. Wolter, Laura T. Corredor Bohorquez, Federico Caglieris, Simon Moser, Tim Figgemeier, Thiago R. F. Peixoto, Hari Babu Vasili, Manuel Valvidares, Sungwon Jung, Cephise Cacho, Alexey Alfonsov, Kavita Mehlawat, Vladislav Kataev, Christian Hess, Manuel Richter, Bernd Büchner, Jeroen van den Brink, Michael Ruck, Friedrich Reinert, Hendrik Bentmann, and Anna Isaeva. Topological Electronic Structure and Intrinsic Magnetization in MnBi4Te7: A Bi2Te3 Derivative with a Periodic Mn Sublattice. Phys. Rev. X9, 041065 (2019).
