ct.qmat 13 Die Geburt eines Quantenmaterials A quantum material is born Atom für Atom: MnBi2Te4 heißt die Zauberformel, die 2019 in Dresden das Licht der Welt erblickte. Wissenschaftler:innen des Exzellenzclusters ct.qmat entwickelten ein Quantenmaterial namens Mangan-Bismut-Tellurid und stellten es erstmals im Labor her. Der maßgeschneiderte Kristall ist ein magnetischer topologischer Isolator. Er bringt sein Magnetfeld selber mit und besitzt daher anwendungsrelevante Eigenschaften, die andere Materialien erst in starken äußeren Magnetfeldern zeigen. Mit Mangan-Bismut-Tellurid, kurz MnBi2Te4, haben sich die Chancen für neuartige elektronische Bauelemente erweitert, die Informationen magnetisch kodieren und transportieren. Spintronik nennt sich dieser Ansatz und soll die Informationstechnologie künftig energiesparender sowie schneller machen. Seither arbeiten internationale Forschungsteams an unterschiedlichen Facetten dieses Materials. Vor allem bei ct.qmat ist man durch die Synergie zwischen dem experimentellen und theoretischen Knowhow von Würzburg und Dresden einen großen Schritt weitergekommen. Atom for atom: MnBi2Te4 is a magic formula that first saw the light of day in Dresden in 2019. Manganese bismuth telluride is a quantum material that was first produced in the laboratory by scientists from ct.qmat. This specially tailored crystal is a magnetic topological insulator. It has its own magnetic field, giving it properties suitable for important applications that other materials only exhibit in strong external magnetic fields. The advent of MnBi2Te4 is an important step towards developing novel electronic components that can encode and transport information magnetically. Known as spintronics, this branch of physics is expected to one day make information processing faster and more energy-efficient. International research teams are now studying various aspects of MnBi2Te4. This major breakthrough at ct.qmat was enabled by the synergy between experimental and theoretical expertise in Würzburg and Dresden. i Bandstruktur Band structure ... bezeichnet die Verteilung der Elektronen auf die Energiezustände in einem Material. Man spricht von Valenz- und Leitungsbändern. Dies bestimmt, wie sich die Elektronen in verschiedenen Materialien bewegen können. So sind die Elektronen bei Isolatoren an ihre Atome gebunden und können daher keinen elektrischen Strom tragen – im Gegensatz zu elektrisch leitfähigen Metallen, wo die Elektronen im Leitungsband frei durch das Material fließen können. In topologischen Isolatoren sind die Energiebänder anders sortiert, was an ihren Oberflächen kurioserweise zu einer nahezu perfekten Leitfähigkeit führt. ... describes the distribution of electrons among the energy states in a material. There are valence bands and conduction bands. The band structure determines how electrons can move in different materials. For example, in insulators, electrons are bound to their atoms and so can’t carry an electric current. By contrast, in electrically conductive metals, electrons in the conduction band can flow freely through the material. In topological insulators, the energy bands are sorted differently, which curiously leads to almost perfect conductivity on their surfaces.
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