At bygge bro mellem topologiske isolatorers magnetiske og elektroniske egenskaber

Forskere ved Tokyo Institute of Technology kaster lys over forholdet mellem de magnetiske egenskaber af topologiske isolatorer og deres elektroniske båndstruktur. Deres eksperimentelle resultater giver ny indsigt i de seneste debatter om udviklingen af ​​båndstrukturen med temperatur i disse materialer, som udviser usædvanlige kvantefænomener og forventes at være afgørende i næste generations elektronik, spintronik, og kvantecomputere.

Topologiske isolatorer har den særlige egenskab at være elektrisk ledende på overfladen, men isolerende på deres indre. Dette tilsyneladende simple, unikke egenskaber gør det muligt for disse materialer at være vært for et væld af eksotiske kvantefænomener, der ville være nyttige for kvantecomputere, spintronik, og avancerede optoelektroniske systemer.

For at låse op for nogle af de usædvanlige kvanteegenskaber, imidlertid, det er nødvendigt at inducere magnetisme i topologiske isolatorer. Med andre ord, en slags 'orden' i, hvordan elektroner i materialet retter sig ind i forhold til hinanden, skal opnås. I 2017 en ny metode til at opnå denne bedrift blev foreslået. Benævnt 'magnetisk forlængelse', ' teknikken involverer indsættelse af et monolag af et magnetisk materiale i det øverste lag af den topologiske isolator, som omgår problemerne forårsaget af andre tilgængelige metoder som doping med magnetiske urenheder.

Desværre, brugen af ​​magnetisk forlængelse førte til komplekse spørgsmål og modstridende svar vedrørende den elektroniske båndstruktur af de resulterende materialer, som dikterer elektronernes mulige energiniveauer og i sidste ende bestemmer materialets ledende egenskaber. Topologiske isolatorer er kendt for at udvise, hvad der er kendt som en Dirac-kegle (DC) i deres elektroniske båndstruktur, der ligner to kegler, der vender mod hinanden. I teorien, DC'en er uaflukket for almindelige topologiske isolatorer, men bliver gabt ved at inducere magnetisme. Imidlertid, det videnskabelige samfund er ikke blevet enige om sammenhængen mellem kløften mellem de to keglespidser og materialets magnetiske egenskaber eksperimentelt.

I et nyligt forsøg på at løse denne sag, videnskabsmænd fra flere universiteter og forskningsinstitutter udførte en samarbejdsundersøgelse ledet af professor Toru Hirahara fra Tokyo Tech, Japan. De fremstillede magnetiske topologiske strukturer ved at afsætte Mn og Te på Bi ₂ Te ₃ , en velundersøgt topologisk isolator. Forskerne teoretiserede, at ekstra Mn-lag ville interagere stærkere med Bi ₂ Te ₃ og at nye magnetiske egenskaber kan tilskrives ændringer i DC-gabet, som Hirahara forklarer:"Vi håbede, at stærke mellemlagsmagnetiske interaktioner ville føre til en situation, hvor overensstemmelsen mellem de magnetiske egenskaber og DC-gabet var entydig sammenlignet med tidligere undersøgelser."

Ved at undersøge prøvernes elektroniske båndstrukturer og fotoemissionskarakteristika, de demonstrerede, hvordan DC-gabet gradvist lukker, når temperaturen stiger. Derudover de analyserede atomstrukturen af ​​deres prøver og fandt to mulige konfigurationer, MnBi ₂ Te ₄ /Bi ₂ Te ₃ og Mn ₄ Bi ₂ Te ₇ /Bi ₂ Te ₃ , hvoraf sidstnævnte er ansvarlig for DC-gabet.

Imidlertid, en ejendommelig forvirrende konstatering var, at den temperatur, hvor DC-gabet lukker, er langt over den kritiske temperatur (TC), over hvilke materialer mister deres permanente magnetiske orden. Dette er i skarp kontrast til tidligere undersøgelser, der indikerede, at DC-gabet stadig kan være åben ved en temperatur højere end materialets TC uden at lukke. På denne note, Hirahara bemærker:"Vores resultater viser, for første gang, at tabet af langtrækkende magnetisk orden over TC og DC-gabets lukning ikke er korreleret."

Selvom der vil være behov for yderligere indsats for at klarlægge forholdet mellem arten af ​​DC-gabet og magnetiske egenskaber, denne undersøgelse er et skridt i den rigtige retning. Forhåbentlig, en dybere forståelse af disse kvantefænomener vil hjælpe os med at høste kraften fra topologiske isolatorer til næste generations elektronik og kvanteberegning.