Quantum anomalous Hall -effekt i iboende magnetisk topologisk isolator

Fremstilling af MnBi2Te4 tyndflage-enhed. (A) Optisk billede af repræsentative få-lags MnBi2Te4 flager spaltet på Al2O3 tynd film. MnBi2Te4/Al2O3-stakken understøttes af et PDMS-substrat. Billedet blev taget i transmissionstilstand. Skala bar:20 μm. (B) Optisk billede af den samme MnBi2Te4/Al2O3-stak overført til et 285-nm SiO2/Si-substrat. Tape-rester er synlige under Al2O3-filmen; resten påvirker ikke prøvefremstilling og efterfølgende målinger. (C) Optisk billede af en enhed fremstillet af prøven vist i B. Metal (Cr/Au) kontakter til prøven blev termisk fordampet gennem en stencilmaske. (D) Optisk billede af den samme enhed efter fjernelse af overskydende MnBi2Te4-flage, der kortslutter tilstødende elektroder med en skarp spids. Kredit: Videnskab , doi:10.1126/science.aax8156

Ikke-triviel båndtopologi kan kombineres med magnetisk orden i en magnetisk topologisk isolator for at producere eksotiske tilstande af stof, såsom quantum anomalous Hall (QAH) isolatorer og axion isolatorer. Et formål med kondenseret fysik er at finde nye materialer med nyttige egenskaber og anvende kvantemekanik til at studere dem. Feltet har gjort det muligt for fysikere at bedre forstå anvendelsen af magneter til harddiskdatalagring, computerskærme og andre teknologier. Den nylige opdagelse af topologiske isolatorer har tiltrukket bred interesse, og forskere forudsiger, at samspillet mellem ferromagnetisme og den topologiske isolatortilstand kan realisere en række eksotiske kvantemagnetiske fænomener af interesse i grundlæggende fysik og enhedsanvendelser.

I en ny rapport, Yujun Deng og et forskerhold ved afdelingerne for fysik og kvantemateriale i Kina, sonderede kvantetransport i en tynd flage MnBi ₂ Te ₄ topologisk isolator, med iboende magnetisk orden. De ferromagnetiske lag koblet anti-parallelt til hinanden i det atomisk tynde MnBi ₂ Te ₄ lagdelt van der Waals krystal. Imidlertid, prøven blev ferromagnetisk, når den indeholdt et ulige antal af syv lag. Forskerholdet observerede nulfelts QAH-effekten i en fem-septuple-lags prøve ved 1,4 Kelvin. Resultaterne etablerede MnBi ₂ Te ₄ som en ideel platform til at udforske eksotiske topologiske fænomener med spontant brudt tidsomvendt symmetri. Værket er nu offentliggjort den Videnskab .

Topologiske materialer indeholder tydeligt topologisk beskyttede kvantetilstande, der er robuste over for lokale nød. For eksempel, i en topologisk isolator (TI) såsom bismuthtellurid (Bi ₂ Te ₃ ), bulk-båndtopologien kan garantere eksistensen af todimensionelle (2-D) overfladetilstande med spredningsfri Dirac-spredning. Ved at introducere magnetisme i de oprindeligt tids-reverserende invariante topologiske isolatorer (TI'er), videnskabsmænd kan fremkalde dybtgående ændringer i deres elektroniske struktur. For eksempel, at eksperimentelt observere QAH-effekten i chromdopet (Bi, Sb) ₂ Te ₃ , fysikere var nødt til præcist at kontrollere forholdet mellem flere elementer i et ikke-støkiometrisk materiale. Finjustering af materialet krævede afstemning af modstridende krav og derfor forskere skulle kun kvantificere den unormale Hall-effekt præcist ved temperaturer op til T =2 K, langt under Curie -temperaturen og udvekslingsgabet i materialet. For yderligere at udforske de rige topologiske fænomener og deres potentielle anvendelser, forskere skal bruge iboende magnetiske TI'er (topologiske isolatorer) med en medfødt magnetisk orden for at studere deres topologiske effekter i uberørte krystaller.

Fremstilling og karakterisering af få-lags MnBi2Te4 enheder. (A) Optisk billede af få-lags flager af MnBi2Te4 spaltet på termisk fordampet Al2O3 tynd film (tykkelse ~ 70 nm). MnBi2Te4/Al2O3 -stakken understøttes på et PDMS -substrat. Billedet blev taget i transmissionstilstand. Antal SL'er er mærket på udvalgte flager. Målestok:20 μm. (B) Transmittans som funktion af antallet af SL'er. Transmittansen (udfyldte cirkler) følger Beer-Lambert-loven (optrukket linje). (C) Temperaturafhængig prøvemodstand af få-lags MnBi2Te4. Den antiferromagnetiske overgang viser sig som en modstandstop i de tre-, fire- og femlagsprøver (prøve 3a, 4a og 5a, henholdsvis; se tabel S1). Indsat:lagdelt krystalstruktur af MnBi2Te4 i antiferromagnetisk tilstand. Spins af Mn2+ ioner ordner ferromagnetisk i et lag, hvorimod nabolag kobler antiferromagnetisk med en ud-af-planet magnetokrystallinsk anisotropi. (D) Ryx af samme tre-, fire-, og fem-lags MnBi2Te4 prøver vist i C som en funktion af eksternt magnetfelt påført vinkelret på prøveplanet. Data blev opnået ved T =1,6 K. Alle datasæt blev antisymmetriseret for at fjerne Rxx-komponent (23). Det eksterne magnetfelt vender individuelle ferromagnetiske SL'er, en SL ad gangen, og til sidst fuldstændig polariserer alle SL'er. De magnetiske overgange manifesterer sig som spring i Ryx, der er markeret med farvede flåter på vandrette akser. Tegneserier illustrerer de magnetiske tilstande ved repræsentative magnetfelter (markeret med åbne cirkler). SL'er med op (ned) magnetisering er vist i rødt (blåt). For nemheds skyld, kun én af de mulige konfigurationer vises, når der er degenerationer; vi ignorerer også magnetiske domæner, der kan være til stede i nogle af de magnetiske tilstande. Kredit: Videnskab , doi:10.1126/science.aax8156

I dette arbejde, Deng et al. undersøgte kvantetransport i atomtynde flager af iboende magnetisk topologisk isolator MnBi ₂ Te _4. Materialet indeholdt en lagdelt ternær tetradymitforbindelse indeholdende syv lag (Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te). Den resulterende MnBi ₂ Te ₄ krystal var i sig selv magnetisk, og magnetismen stammede fra Mn ²⁺ ioner i krystallen. De studerede tynde flager af MnBi ₂ Te _4. for at minimere parallel bulkledning og fokuseret på MnBi ₂ Te ₄ flager indeholdende et ulige antal lag.

Holdet startede med høj kvalitet MnBi ₂ Te ₄ krystaller dyrket ved hjælp af en fluxmetode for at opnå atomisk tynd MnBi ₂ Te ₄ via Al ₂ O ₃ -assisteret eksfoliering. For at opnå dette, de fordampede termisk Al ₂ O ₃ tynd film på en frisk tilberedt overflade af massekrystal, løftede massen ved hjælp af et termisk frigivelsesbånd og frigav derefter det kombinerede Al ₂ O ₃ /MnBi ₂ Te ₄ stables på et stykke transparent polydimethylsiloxan (PDMS) til mikroskopisk inspektion. Derefter, de stemplede de tynde flager på en siliciumwafer dækket med SiO ₂ , efterfulgt af deponering af Cr/Au kontakter til transportmålinger. Teamet gennemførte processen i en lufttæt boks for at forhindre prøveeksponering for ilt (O ₂ ) og vand (H ₂ O) for at afbøde prøvenedbrydning. De undersøgte derefter grundigt det rige sæt af magnetiske tilstande for de få-lags prøver.

Kvante anomal Hall-effekt i en femlags MnBi2Te4-flage. (A og B) Magnetisk feltafhængige Ryx (A) og Rxx (B) opnået i femlagsprøven 5b ved T =1,4 K. Ryx- og Rxx-data vist her er anti-symmetriserede og symmetriserede, henholdsvis, for at fjerne blandingen af de to komponenter (23). Op og ned fejer magnetfeltet er vist med rødt og blåt, henholdsvis. Ryx når 2 0,97 / t e , samtidig med en Rxx på 2 0,061 / h e ved μ0H =0 T. Disse egenskaber er utvetydige beviser for nulfelt QAH-effekt. Eksternt magnetfelt polariserer de ferromagnetiske SL'er individuelt, og forbedrer yderligere QAH -kvantiseringen; Ryx kvantiserer til 2 0,998 / time under magnetfelter over μ0H ~ 2,5 T. (C) Rxx i prøve 5b som en funktion af magnetfelt erhvervet ved forskellige temperaturer. Data er symmetriseret for at fjerne Ryx -komponent. (D) Arrhenius-plot af Rxx som funktion af 1/T under repræsentative magnetfelter. Solide linjer er linjepasninger, hvis hældning giver energigabet af den termisk aktiverede ladningstransport. (E) Energigab som funktion af magnetfelt udvundet fra tilpasning af Arrhenius-plotsene eksemplificeret i D. Skraveret område repræsenterer fejlgrænsen for energigabet fra linjepasningerne. Udtrukne cirkler fremhæver de repræsentative mellemrumsværdier opnået fra beslagene vist i D. Farvede flueben på vandrette akser på panel B, C og E markerer placeringen af magnetiske overgange. Alle data blev indhentet under en bagklap -bias på Vg =−200 V. Kredit: Videnskab , doi:10.1126/science.aax8156

Deng et al. observerede en veludviklet QAH-effekt ved nul magnetfelt i en fem-lags MnBi ₂ Te ₄ af meget forbedret prøvekvalitet. De bemærkede, at et eksternt magnetfelt yderligere forbedrede kvantiseringen ved at justere de ferromagnetiske lag. Den ferromagnetiske justering forbedrede også robustheden af QAH -effekten mod termiske udsving. Ved nul magnetfelt, de opnåede et energigab, der oversteg værdien i magnetisk dopede Ti tynde film, selvom det stadig er meget mindre end det forventede valutagab for MnBi ₂ Te ₄ .

Energigabet målte ikke direkte båndgabet af overfladetilstandene i krystallen, men karakteriserede den minimale energi, der kræves for at excitere en elektron fra valensen til ledningsbåndet. For eksempel, en stor forskel mellem energigabet og det forudsagte båndgab indebar forskellige lidelser i prøven. Som resultat, der er meget plads til yderligere at øge energiskalaen af QAH-effekten i uberørt, MnBi af høj kvalitet ₂ Te ₄ prøver.

Gate-tunet kvante anomal Hall-effekt i en fem-lags MnBi2Te4 flake. (A) Magnetfeltafhængig Ryx, erhvervet i prøve 5b, under varierende portforspændinger Vg (i 10 V-trin). Alle data blev opnået ved T =1,6 K. Kurver er anti-symmetriserede for at fjerne Rxx-komponent. Farvede flåter på den vandrette akse markerer placeringen af magnetiske overgange. (B til D) Rxx og Ryx som funktioner af Vg under tre repræsentative magnetfelter, μ0H =0 T, 5 T og 14 T. Et yderligere plateau på ( ) 2 / 2 R he yx =− kommer frem ved Vg ~ −25 V, ledsaget af en forsvindende Rxx (panel D). Det samme plateau er også synligt i A ved μ0H> 10 T under feltfeje under Vg =−60 V. Dette bevis peger på en kvantiseret Hall -tilstand med en fyldningsfaktor v =−2. Alle data blev opnået i samme prøve 5b, men Vg-værdier matcher ikke nøjagtigt dem i A på grund af hysterese under gate-sweep. Kredit: Videnskab , doi:10.1126/science.aax8156

Efter at det påførte eksterne magnetfelt polariserede femlagsprøven fuldstændigt, energigabet mindskes med stigende magnetfelt. QAH-tilstandene udviklede sig gradvist i den eksperimentelle opsætning og gav et kig ind i den elektroniske struktur af overfladebåndene uden for båndgabet. Deng et al. forstået alle tilstande observeret i undersøgelsen fra et samlet synspunkt. Hall-målingerne nær nul magnetfelt giver en porteffektivitet på 5 x 10 ¹⁰ cm ^-2 /V, hvilket stemte godt overens med effektiviteten estimeret ud fra enhedens geometri. Siden MnBi ₂ Te ₄ er et lagdelt materiale, holdet forventer, at de teknikker, der er udviklet til 2-D-materialer, kan anvendes på MnBi ₂ Te ₄ . På denne måde Yujun Deng og kolleger forudser, at van der Waals heterostrukturer integrerer MnBi ₂ Te ₄ med andre magnetiske/superledende 2-D materialer vil give grobund for yderligere at udforske eksotiske topologiske kvantefænomener.

Sidste artikelUndersøgelse afdækker ny elektronisk tilstand

Næste artikelBrug af lyd og lys til at generere ultrahurtig dataoverførsel