Opdagelser af høj-Chern-nummer og høj temperatur Chern-isolatorstater

Quantum Hall-effekten (QHE) er en af ​​de vigtigste opdagelser inden for fysiske videnskaber. På grund af de endimensionelle (1-D) dissipationsløse kanttilstande, QHE udviser eksotiske transportegenskaber med kvantiseret Hall-modstand på h/νe2 og forsvindende langsgående modstand. Her, h er Plancks konstant, ν er Landau -fyldningsfaktor og e er elektronladning. QHE stammer normalt fra dannelsen af ​​bemærkelsesværdig energigab og den brudte tids-reversal-symmetri, som kræver materialer med høj mobilitet, højt magnetfelt og ultralav temperatur. Disse strenge betingelser begrænser i høj grad den dybe efterforskning og brede anvendelser af QHE. I 1988, Haldane foreslog teoretisk, at QHE kan realiseres uden at anvende eksternt magnetfelt, dvs. Chern isolatortilstand eller kvanteanomal Hall-effekt (QAHE).

I 2013 QAHE med Chern nummer C=1 blev eksperimentelt observeret i tynde film af chrom-doteret (Bi, Sb) ₂ Te ₃ ved en temperatur ned til 30 mK. Bagefter, Haldane blev tildelt Nobelprisen i fysik i 2016 for sine tidlige teoretiske værker om topologiske faser af materie, herunder forudsigelse af QAHE. De 1D-dissipationsfri kanttilstande af Chern-isolatorer giver en mulig løsning på den uundgåelige opvarmning i integrerede kredsløb. Generelt, kun én 1-D dissipationsfri kanttilstand kan realiseres ved ultralave temperaturer i magnetisk dopede topologiske isolatorer, hvilket er langt fra ansøgningskravene. Derfor, at realisere flere spredningsløse kanttilstande og øge arbejdstemperaturen i Chern -isolatorstater er ikke kun de vigtigste forskningsemner inden for fysiske videnskaber, men forventes også at fremme udviklingen af ​​elektronik med lavt forbrug og integrerede kredsløb.

For nylig, et forskningssamarbejde ledet af professor Wang Jian ved Peking University, Professor Xu Yong og professor Wu Yang ved Tsinghua University har opdaget Chern-isolatortilstande med højt Chern-tal og høje temperaturer i MnBi ₂ Te ₄ enheder, repræsenterer et stort gennembrud i Chern-isolatorer og topologiske kvantetilstande.

MnBi ₂ Te ₄ er et lagdelt magnetisk topologisk materiale. Som vist i fig. 1a, monolag MnBi ₂ Te ₄ omfatter syv atomlag, dannelse af et Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te septuple lag (SL), som kan ses som en indbyrdes forbinding af et Mn-Te dobbeltlag ind i midten af ​​et Bi ₂ Te ₃ femdobbelt lag. MnBi ₂ Te ₄ udviser ferromagnetisk (FM) rækkefølge inden for SL og anti-ferromagnetisk (AFM) rækkefølge mellem tilstødende SL'er med en let akse ud af planet. Teoretiske beregninger viser, at forskellige eksotiske topologiske tilstande kan forventes i MnBi ₂ Te ₄ , såsom QAHE i ulige SLs-film, axion isolator tilstand i selv SLs film, AFM topologisk isolator ved nul magnetfelt og magnetisk Weyl semimetal under vinkelret magnetfelt i bulk. Rigelige eksotiske topologiske tilstande og lagdelt struktur gør MnBi ₂ Te ₄ en fremragende platform til observation og modulering af topologiske kvantetilstande.

Forskerne fremstillede flere MnBi ₂ Te ₄ enheder med forskellig tykkelse. I 9-SL og 10-SL MnBi ₂ Te ₄ enheder, et Hall-modstandsplateau med en højde på h/2e2 ledsaget af næsten forsvindende langsgående modstand observeres ved at påføre et vinkelret magnetfelt på 5 T, hvilket er karakteristisk for Chern-isolatoren med to dissipationsfri kanttilstande (C=2) (fig. 1b). Mere interessant, C=2 Chern-isolatortilstanden i 10-SL MnBi ₂ Te ₄ enheden kan holde over 10 K (fig. 1c, d). Dette er den første eksperimentelle opdagelse af flere dissipationsfri kanttilstande over flydende heliumtemperatur.

Forskerne undersøgte yderligere indflydelsen af ​​tykkelsen af ​​MnBi ₂ Te ₄ enheder på Chern nummer. I 7-SL og 8-SL MnBi ₂ Te ₄ enheder, et kvantiseret Hall-modstandsplateau h/e2 ledsaget af næsten forsvindende langsgående modstand, dvs. Chern isolatortilstand med C=1 observeres. Vigtigere, Hall-plateauet viser næsten kvantiseret modstand selv ved 45 K i 7-SL MnBi ₂ Te ₄ enhed (fig. 2a-c) og over 30 K i 8-SL MnBi ₂ Te ₄ enhed (fig. 2d-f), som åbenlyst er højere end Néel-temperaturen (ca. 22 K) af MnBi ₂ Te ₄ enheder.

De observerede høj-Chern-tal og høj temperatur Chern-isolatorstater kræver anvendelse af svagt magnetfelt på grund af den antiferromagnetiske karakter af MnBi ₂ Te ₄ ved nul magnetfelt. Da den almindelige QHE også kan give anledning til kvantiseret Hall-modstandsplateau og forsvindende langsgående modstand, det er nødvendigt at udelukke indflydelsen af ​​Landau-niveauer (LL'er) induceret af eksternt magnetfelt på resultaterne. Forskerne estimerede først MnBis mobilitet ₂ Te ₄ enheder, som viser sig at være i området fra 100 til 300 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ . En sådan lav mobilitet kræver et eksternt magnetfelt højere end 30 T for at QHE med LL'er kan observeres, hvilket er meget højere end kvantiseringsmagnetfeltet i vores MnBi ₂ Te ₄ enheder. Forskerne demonstrerede endvidere, at tegnet på Chern -nummer forbliver uændret med bærertypen, når der påføres bagspændinger, entydigt udelukker muligheden for den almindelige QHE med LL'er.

Oprindelsen af ​​de observerede Chern-isolatortilstande afsløres af teoretiske beregninger. Ferromagnetisk MnBi ₂ Te ₄ er forudsagt at være den enkleste magnetiske Weyl-halvmetal, som kun besidder et par Weyl -point (WP'er) nær Fermi -niveauet. Kvanteindeslutning fører til Chern-isolatortilstanden og lagafhængigt Chern-tal i få-lags MnBi ₂ Te ₄ , tillader eksistensen af ​​flere dissipationsfri kanttilstande i bulkbåndgabet, hvilket stemmer overens med de eksperimentelle resultater. Opdagelsen af ​​Chern-isoleringstilstand med højt Chern-tal giver også på en måde eksperimentelt bevis for den magnetiske Weyl-halvmetaltilstand i MnBi ₂ Te ₄ .

Chern-isolatortilstandene med højt Chern-tal og høje temperaturer, der er opdaget i de iboende magnetiske topologiske materialer, vil stimulere udforskningen af ​​QAHE med højere temperatur og endda stuetemperatur, og bane vejen for store gennembrud inden for fysik, materialevidenskab og informationsteknologi.

Papiret med titlen "High-Chern-Number and High-Temperature Quantum Hall Effect without Landau Levels, " blev offentliggjort online i National Science Review .