Naturlige van der Waals heterostrukturelle enkeltkrystaller med magnetiske og topologiske egenskaber

Heterostrukturer med magnetisme og topologi (geometri) er lovende materialer til at realisere eksotiske topologiske kvantetilstande. Imidlertid, sådanne materialer er udfordrende at konstruere eller syntetisere. I en ny rapport vedr Videnskabens fremskridt , Jiazhen Wu og et tværfagligt forskerhold i afdelingerne for materialeforskning, Optoelektronisk videnskab, Fysik, Forskning i kondenseret stof og avancerede materialer i Japan og Kina, rapporterede udviklingen af ​​naturlige magnetiske van der Waals heterostrukturer. Konstruktionerne udviste kontrollerbare magnetiske egenskaber, mens de bibeholdt deres topologiske overfladetilstande.

Under processen, materialevidenskaberne og fysikerne svækkede gradvist den mellemlags antiferromagnetiske udvekslingskobling, mens de øgede magnetisk lagadskillelse for at observere en unormal Hall-effekt. Ved en temperatur under 5K, fænomenet var godt koblet med magnetisering for at forårsage ferromagnetisk hysterese, dvs. at påføre et eksternt magnetfelt på en ferromagnet, der forårsager justering af dens atomare dipoler. Forskerne har til formål at bruge de homogene heterostrukturer med atomisk skarpe grænseflader og iboende magnetiske egenskaber til at studere eksotiske fænomener såsom den kvante-anomale Hall-effekt, aksionsisolatortilstande og topologiske magnetoelektriske effekter (induktion af magnetisering af et elektrisk felt og induktion af elektrisk polarisation af et magnetisk felt).

I det kondenserede stofs fysik, magnetiske heterostrukturer har tiltrukket sig betydelig opmærksomhed for at danne nye applikationer inden for udviklingsområderne for spintronik og topotronik (nanoelektronik baseret på topologiske strukturer). For eksempel, veletablerede aflejringsteknikker, der hjælper tyndfilmvækst, herunder molekylær stråleepitaxi, pulserende laseraflejring og sputtering har accelereret feltet for at lette unikke egenskaber såsom gigantisk magnetoresistens. For eksempel, tunneling af magnetoresistens havde tidligere demonstreret kernetekniske muligheder for digital informationslagring. Imidlertid, forskningsudviklingen af ​​magnetiske heterostrukturer forbliver begrænset på grund af tilhørende aflejringsteknikker, hindrer omfattende undersøgelser af unikke materialesystemer. Alligevel, forskere brugte for nylig overførselsmetoden til at forberede van der Waals heterostrukturer indviklet med sofistikerede teknikker.

Forskere havde også for nylig udviklet heterostrukturer kombineret med magnetiske lag og topologiske isolatorlag (TI) for at danne eksotiske topologiske kvantetilstande. Men udviklingen af ​​en ideel platform til at studere kvanteeffekter ved hjælp af en homogen heterostruktur indeholdende atomisk skarpe grænseflader og iboende magnetiske egenskaber forbliver eksperimentelt undvigende. I dette arbejde, Wu et al. rapporterede naturligt forekommende van der Waals heterostrukturer (MnBi ₂ Te ₄ ) _m (Bi ₂ Te ₃ ) _m med kontrollerbare magnetiske egenskaber og topologiske overfladetilstande (SS'er). De fremstillede enkeltkrystaller ved hjælp af fluxmetoden (metode til krystalvækst) og identificerede varianter af molekylerne ved hjælp af røntgendiffraktionsmålinger (XRD) og scanningstransmissionselektronmikroskopi (STEM). Da forskerholdet gradvist svækkede interlayer antiferromagnetic (AFM) udvekslingsinteraktioner, materialerne omdannet til et konkurrerende system med magnetisk orden med en ferromagnetisk (FM) tilstand stabiliseret under 5K.

Da magnetiseringen havde en let akse ud af planet, forskerne observerede en anomal Hall (AH)-effekt - godt koblet med magnetisering. De undersøgte de ikke-trivielle elektroniske strukturer af MnBi ₄ Te ₇ i bulk og overflade ved hjælp af density functional theory (DFT) beregninger for at bekræfte dens antiferromagnetiske topologiske isolator (AFM TI) egenskaber. Wu et al. eksperimentelt detekteret overfladetilstandene ved hjælp af vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) målinger og forventer, at det nye materiale giver en platform til at undersøge forskellige interesser inden for spintronik og topotronik.

For eksempel, den nyligt rapporterede MnBi ₂ Te ₄ syntetisk forbindelse er en iboende van der Waals antiferromagnet, der viser topologiske ikke-trivielle overfladetilstande (SS). Da de to van der Waals materialer Bi ₂ Te ₃ og MnBi ₂ Te ₄ demonstreret lignende gitterbegrænsninger, forskerne var ivrige efter at teste muligheden for at syntetisere naturlige heterostrukturer med alternerende femdobbelte atomlag (QL'er) og septuple atomare lag (SL'er).

Baseret på antagelsen, forskerne forberedte polykrystallinske prøver i forhold til formuleringen af ​​(MnBi ₂ Te ₄ ) _m (Bi ₂ Te ₃ ) _n og dannede MnBi ₄ Te ₇ og MnBi ₆ Te ₁₀ ved anvendelse af en faststofreaktionsvej. Forskerholdet observerede de nye heterostrukturer ved hjælp af højvinklet ringformet mørkefelt (HAADF) og STEM-målinger. Atomopløsningsbillederne var meget konsistente med de krystalstrukturer, der tidligere er opnået ved hjælp af XRD-målinger og justeret med den foreslåede model. De bekræftede yderligere høje grader af krystallinitet af de forberedte prøver ved hjælp af udvalgte-areal elektrondiffraktion (SAED) mønstre.

For at teste de fysiske egenskaber, Wu et al. så voksede enkeltkrystaller af MnBi ₂ Te ₄ og MnBi ₄ Te ₇ ved hjælp af en flux-assisteret metode og fandt syntesen vanskelig, da faserne kun udviklede sig ved et meget snævert temperaturområde. Forskerne viste MnBi ₄ Te ₇ at være forholdsvis mere kompleks på grund af tilstedeværelsen af ​​både QL og SL (kvintupel og septupel) atomlag. Forskerne kontrollerede den friske overflade af prøverne ved hjælp af Auger-elektronspektroskopi og røntgenfotoelektronspektroskopi under højvakuum, og resultaterne viste, at prøverne var rene og bekræftede tilstedeværelsen af ​​alle de foreslåede elementer (mangan [Mn], vismut [Bi] og tellur [Te]).

For at forstå de magnetiske strukturer, Wu et al. derefter udførte magnetiseringsmålinger af de enkeltkrystallinske prøver MnBi ₂ Te ₄ og MnBi ₄ Te ₇ . De to forbindelser viste kontrasterende magnetiske strukturer. For yderligere indsigt i den elektroniske struktur og topologi af MnBi ₄ Te _7, forskerholdet udførte DFT (density functional theory) beregninger ved hjælp af den hybride funktionelle metode, som er meget brugt til at studere materialer med små båndgab. Holdet demonstrerede båndstrukturer af hovedparten af ​​MnBi ₄ Te ₇ forbindelse med og uden spin-orbit kobling (SOC).

Derefter, forskerne målte overfladetilstanden af ​​MnBi ₄ Te ₇ ved brug af ARPES (vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi) ved 20 og 300 K med en excitationsfotonenergi på 48 eV svarende til en tidligere undersøgelse. Sammenlignet med de beregnede resultater, de observerede de målte overfladetilstande, der hovedsageligt stammede fra SL-(septuple atomic lag), selvom de ikke udelukkede bidrag fra QL-(kvintuplet atomlag). For at forklare observationerne, forskerne overvejede også muligheden for, at QL/SL-overfladedomænestørrelserne er meget mindre end den fotonstrålepletstørrelse, der anvendes til spektroskopisk (ARPES) analyse.

Wu et al. observerede ferromagnetiske spinsvingninger i MnBi ₄ Te ₇ over overgangstemperaturen (T _N ) og krediterede dem til resultaterne observeret i opsætningen. Resultaterne afstedkom dog et åbent spørgsmål, der krævede yderligere undersøgelser. Især overfladetilstande af MnBi ₄ Te ₇ var mere komplekse end MnBi ₂ Te ₄ ved at forstå overfladeegenskaberne og de afstembare magnetiske egenskaber af de magnetiske heterostrukturer vil forskerne ideelt set være i stand til at udforske afstembare kvantiserede magnetoelektriske fænomener i fremtiden.

Wu et al. også registreret de elektriske egenskaber af MnBi ₄ Te ₇ enkelt krystaller, som især adskilte sig fra MnBi ₂ Te ₄ variant. Forbindelsen havde en metallisk ledningsevne med Hall-effekten, der viste en bærerkoncentration på 2,85 x 10 ²⁰ cm ^-3 ved 2 grader Kelvin. Hall-resistiviteten havde en lineær feltafhængighed ved høje felter for at foreslå en enkelt bærer i forbindelsen. Wu et al. karakteriseret de unormale elektriske transportegenskaber og magnetiske strukturer af MnBi ₄ Te ₇ enkeltkrystaller for yderligere at vise afhængighed af spin-flip overgange på magnetoresistens.

De associerede elektroner i forbindelsen undergik en højere spredningshastighed ved magnetoresistensplateauer (højmodstandstilstand) end ved et lavere eller højere magnetfelt. Forskerne observerede, at sådanne magnetoresistensplateauer ikke kunne overleve ved højere temperaturer (> 0,35 K), da termisk aktivering potentielt kan ødelægge antiferromagnetiske tilstande, hvilket får systemet til at gå ind i en ferromagnetisk tilstand. Vigtigt, plateauerne i unormal Hall-ledningsevne lignede aksionsisolerende tilstande og derfor, det nuværende system kunne også potentielt danne en platform til at skabe passende tunede aksionsisolatorer. Når strømmen løber hen over de magnetiske og ikke-magnetiske lag i opsætningen, magnetoresistenseffekterne kan blive meget stærkere, ligner materialer med gigantisk magnetoresistens.

På denne måde Jiazhen Wu og kolleger opsummerede de felt- og temperaturafhængige magnetiske strukturer af MnBi ₄ Te ₇ , angiver forbindelsen som et konkurrerende system med magnetisk orden. Forholdsvis, de observerede ikke denne konkurrerende situation med MnBi ₂ Te ₄ . Forskerne forventer, at den konkurrerende magnetiske rækkefølge af forbindelserne vil inducere uudforskede kvantetopologiske tilstande. De eksperimentelle eksotiske magnetiske strukturer af de nuværende materialer vil føre til fundamentale interesser i magnetisme. Arbejdet vil også give en ny platform for topotronik til at realisere kvantificerede magnetoelektroniske fænomener. Den vellykkede isolering af van der Waals-materialerne vil give både materialeforskere og fysikere helt nye muligheder for at studere samspillet mellem magnetisme og topologi inden for todimensionelle grænser.

© 2019 Science X Network