Prediction of Magnetic Topological Materials Combining Spin and Magnetic Space Groups

Materie is zelden slechts een verzameling atomen die stilzitten; vaak lijnen de minuscule magnetische spins van elektronen binnen een materiaal zich uit in specifieke patronen, waardoor het materiaal een magneet wordt. Wanneer deze magnetische patronen combineren met de manier waarop elektronen door het kristalrooster bewegen, kunnen er vreemde en nuttige dingen gebeuren. Elektronen kunnen zonder weerstand stromen, of ze kunnen een specifieke soort draai dragen die hen immuun maakt voor onzuiverheden. Wetenschappers noemen dit "topologische" materialen, en ze zijn de heilige graal voor de volgende generatie elektronica omdat ze kunnen leiden tot snellere, efficiëntere computers en sensoren. Decennialang hebben onderzoekers een reeks regels gebruikt die gebaseerd zijn op de symmetrie van de vorm van een kristal om te voorspellen welke materialen zich zo zouden gedragen. Deze regels werkten echter het best voor materialen die niet magnetisch waren, of voor magneten waarbij de magnetische orde eenvoudig en goed begrepen was. Wanneer de magnetische orde complex wordt, of wanneer de interactie tussen de spin van het elektron en zijn beweging aanzienlijk wordt, schieten de oude regels vaak tekort, waardoor wetenschappers niet in staat zijn te voorspellen of een materiaal een topologisch wonder zal zijn of slechts een gewone isolator.

Een team van onderzoekers aan de Nanjing University heeft nu deze kloof overbrugd door een nieuwe methode te ontwikkelen om het gedrag van magnetische materialen met veel grotere nauwkeurigheid te voorspellen. Ze realiseerden zich dat men deze materialen moet begrijpen door ze tegelijkertijd door twee verschillende lenzen te bekijken. De eerste lens negeert de subtiele interactie tussen de spin van een elektron en zijn beweging, en behandelt de magnetische orde als een perfecte, geïdealiseerde symmetrie. De tweede lens bevat deze interactie, wat de symmetrie licht vervormt en de eigenschappen van het materiaal verandert. Door deze twee visies met elkaar te verbinden, creëerden de onderzoekers een uitgebreide kaart die de topologische aard van bijna elk magnetisch materiaal kan diagnosticeren, zelfs wanneer de magnetische orde complex is. Hun werk verklaart niet alleen waarom sommige materialen zich zo gedragen als ze doen, maar voorspelt ook het bestaan van nieuwe, voorheen onbekende magnetische topologische materialen.

De kern van deze nieuwe aanpak ligt in de manier waarop de onderzoekers de overgang afhandelen van een materiaal zonder magnetische orde naar een materiaal met een specifiek magnetisch patroon. In de afwezigheid van magnetische interacties wordt de symmetrie van een materiaal beschreven door een standaard set regels. Wanneer het materiaal magnetisch wordt, verandert de symmetrie. De onderzoekers introduceerden een nieuw kader dat de magnetische toestand behandelt als een stap in een hiërarchie. Eerst beschouwen ze de symmetrie van het materiaal wanneer de subtiele spin-bewegingsinteractie wordt uitgeschakeld. In deze toestand behoort het materiaal tot een uitgebreide familie van symmetriegroepen die beschrijven hoe de magnetische spins zijn gerangschikt. Vervolgens zetten ze de interactie weer aan. Deze actie verlaagt de symmetrie verder, waardoor de mogelijkheden worden beperkt tot een specifieke, meer restrictieve groep. De onderzoekers berekenden de wiskundige verbindingen tussen deze twee toestanden voor elke mogelijke magnetische rangschikking. Dit stelde hen in staat om te zien hoe de elektronische banden — de energieniveaus die elektronen kunnen bezetten — evolueren terwijl het materiaal overgaat van de geïdealiseerde toestand naar de echte, fysieke toestand.

Met behulp van dit nieuwe kader voerde het team een enorme enquête uit onder bekende magnetische materialen. Ze onderzochten 488 materialen waarvan de magnetische structuren al door experimenten waren vastgesteld. In 26 van deze gevallen zouden de standaardmethoden, die alleen naar de uiteindelijke, reële symmetrie kijken, het materiaal als gewoon en topologisch triviaal hebben bestempeld. De nieuwe methode, die rekening houdt met de onderliggende, geïdealiseerde symmetrie van het materiaal, onthulde echter dat deze 26 materialen daadwerkelijk een verborgen topologische aard bezitten. In deze materialen worden de topologische kenmerken beschermd door de geïdealiseerde symmetrie en raken ze slechts licht vervormd, in plaats van volledig vernietigd, wanneer de reële interacties worden meegerekend. Een specifiek voorbeeld is een materiaal genaamd FePSe3. Onder standaardanalyse lijkt het een eenvoudige magneet te zijn. Maar de nieuwe methode laat zien dat het speciale lijnen van elektronen herbergt die op zijn oppervlak zouden moeten bestaan, een kenmerk dat de standaardanalyse mist. Deze oppervlaktetoestanden zijn robuust en zouden nuttig kunnen zijn voor elektronische apparaten, ook al is het materiaal geen perfecte topologische isolator in de traditionele zin.

De onderzoekers stopten niet met het analyseren van bekende materialen; ze gebruikten hun methode ook om nieuwe te voorspellen. Ze begonnen met 1.483 chemische verbindingen die bekend zijn om te bestaan, maar waarvan nog niet is bevestigd of ze magnetisch zijn. Door de vorming van magnetische orde in deze verbindingen te simuleren en hun nieuwe symmetrieregels toe te passen, voorspelden ze de grondtoestandsmagnetische structuren voor 224 van hen. Uit deze groep identificeerden ze 24 verschillende materialen die waarschijnlijk magnetische topologische materialen zijn. Deze lijst bevat drie materialen die al door andere experimenten zijn bevestigd: Co3Sn2S2, MnBi2Te4 en Fe3Sn2. Het feit dat hun methode deze bekende materialen correct heeft geïdentificeerd, dient als een sterke validatie van hun aanpak. Belangrijker nog, het gaf hen vertrouwen in de 21 nieuwe voorspellingen, waaronder materialen zoals LiCoO2 en GaNi3. Voor deze nieuwe kandidaten berekenden de onderzoekers de specifieke richting van de magnetische spins en de resulterende elektronische structuur, waarbij ze vonden dat ze exotische toestanden zouden herbergen zoals Weyl-semimetalen, waar elektronen zich gedragen alsof ze geen massa hebben, of axion-isolatoren, die unieke elektrische reacties hebben.

De kracht van dit werk ligt in het vermogen om te zien wat voorheen onzichtbaar was. Jarenlang vertrouwden wetenschappers op een enkele set symmetrieregels om magnetische materialen te classificeren. Als de symmetrie van een materiaal te laag of te complex was, werd het vaak afgedaan als topologisch oninteressant. Deze nieuwe aanpak erkent dat de "ideale" symmetrie van de magnetische orde, zelfs als deze door reële effecten licht wordt verstoord, nog steeds een vingerafdruk achterlaat op de elektronische structuur van het materiaal. Het is alsof men naar een beeldhouwwerk kijkt door een licht beslagen venster; de oude methode ziet misschien alleen een wazige vorm en neemt aan dat het een simpel blok is, terwijl de nieuwe methode de onderliggende vorm van het beeldhouwwerk begrijpt en precies weet wat het is, zelfs door de mist heen. Door de geïdealiseerde visie met de realistische visie te combineren, hebben de onderzoekers de bekende pool van magnetische topologische materialen aanzienlijk uitgebreid.

De studie biedt een duidelijk pad vooruit voor experimentalisten. In plaats van te gokken welke materialen nuttig zouden kunnen zijn, kunnen onderzoekers nu dit nieuwe classificatieschema gebruiken om databases van bekende verbindingen te screenen en de meest veelbelovende kandidaten te identificeren. Het team heeft hun computationele gegevens en softwaretools beschikbaar gesteld aan de wetenschappelijke gemeenschap, zodat anderen deze regels kunnen toepassen op elk magnetisch materiaal dat zij tegenkomen. Dit opent de deur naar de ontdekking van een nieuwe generatie materialen die de spintronica, het gebied van de elektronica dat gebruikmaakt van elektronspin in plaats van alleen lading, kunnen revolutioneren. Door te begrijpen hoe de magnetische orde de stroom van elektronen dicteert, kunnen wetenschappers nu materialen met specifieke, gewenste eigenschappen ontwerpen, waarmee ze overgaan van accidentele ontdekking naar doelbewuste engineering. Het werk bevestigt dat de interactie tussen magnetisme en topologie rijker is dan voorheen gedacht, en dat we door het probleem door de juiste lens te bekijken, verborgen schatten in het periodiek systeem kunnen vinden.