Sammenføjning af topologiske isolatorer med magnetiske materialer til energieffektiv elektronik

En ny Monash-gennemgang kaster fokus på nyere forskning i heterostrukturer af topologiske isolatorer og magnetiske materialer.

I sådanne heterostrukturer, det interessante samspil mellem magnetisme og topologi kan give anledning til nye fænomener såsom kvanteanomale Hall-isolatorer, aksionsisolatorer og skyrmioner. Alle disse er lovende byggesten til fremtidens laveffektelektronik.

Forudsat at der findes passende kandidatmateriale, der er mulighed for at realisere disse eksotiske tilstande ved stuetemperatur og uden noget magnetisk felt, hjælper dermed FLEET's søgen efter fremtidig lavenergi, ud over CMOS-elektronik.

At finde den rigtige blanding af topologi og magnetisme

"Vores mål var at undersøge lovende nye metoder til at opnå kvante Hall-effekten, " siger den nye undersøgelses hovedforfatter, Dr. Semonti Bhattacharyya ved Monash University.

Kvante Hall-effekten (QHE) er et topologisk fænomen, der tillader højhastighedselektroner at strømme ved et materiales kant, hvilket er potentielt nyttigt til fremtidig lavenergielektronik og spintronik.

"Imidlertid, en alvorlig flaskehals for, at denne teknologi er nyttig, er det faktum, at kvante Hall-effekten altid kræver høje magnetiske felter, som ikke er mulige uden hverken højt energiforbrug eller kryogen køling."

"Det nytter ikke at udvikle 'lavenergi' elektronik, der bruger mere energi for at få dem til at fungere!" siger Dr. Bhattacharyya, der er forskningsstipendiat ved FLEET, søger en ny generation af lavenergielektronik.

Imidlertid, en 'cocktail' af topologisk fysik og magnetisme kan gøre det muligt at opnå en lignende effekt, den kvante anomale Hall-effekt, hvor lignende kanttilstande opstår uden at påføre eksternt magnetfelt.

Flere strategier er blevet fulgt for at inducere magnetisme i topologiske isolatorer:

1. ved at inkorporere magnetiske urenheder,
2. ved at bruge iboende magnetiske topologiske isolatorer
3. ved at inducere magnetisme gennem en nærhedseffekt i topologiske isolator-magnetiske isolator heterostrukturer.

"I vores anmeldelse, vi fokuserede på den seneste videnskabelige forskning i heterostrukturer på den tredje tilgang, " siger medforfatter Dr. Golrokh Akhgar (FLEET/Monash). Dvs. en enkelt struktur, der inkorporerer tynde lag af topologiske isolatorer og magnetiske materialer, der støder op til hinanden, giver den topologiske isolator mulighed for at låne magnetiske egenskaber fra sin nabo.

Denne tilgang giver forskere mulighed for at tune hver type materiale, for eksempel at øge den kritiske temperatur for det magnetiske materiale, og øge båndgabet, og formindskelse af defekttilstande, i topologiske materialer.

"Vi mener, at denne tilgang til at inducere magnetisme i topologiske isolatorer er den mest lovende for fremtidige gennembrud, fordi magnetismen og topologien kan indstilles individuelt i to forskellige materialer, og derved optimere begge til vores fordel, " siger medforfatter Matt Gebert (FLEET/Monash).

Et andet vigtigt træk ved denne heterostruktur er, at den inducerede magnetisme kun afhænger af de magnetiske momenter i det nærmeste plan inde i det magnetiske materiale, derfor behøver de magnetiske materialer ikke at være ferromagneter - ferrimagneter, eller antiferromagneter kan også bruges. Dette øger antallet af kandidat-magnetiske materialer, tillader valg af materialer med magnetisme ved højere temperaturer, til drift tættere på stuetemperatur.

"Dette er et spændende nyt forskningsfelt, " siger den korresponderende forfatter professor Michael Fuhrer, også på Monash University.

"Udviklingen sker ekstremt hurtigt, og vi følte, at det var tid til en oversigtsartikel, der opsummerer de seneste resultater, og skitserer en fremtidig køreplan for dette område, " siger professor Fuhrer, der er direktør for FLEET.

Denne gennemgang giver al den information, der er nødvendig for at introducere nye forskere til området. Det forklarer de konceptuelle ideer bag mekanismerne for magnetisk nærhedseffekt i topologiske isolatorer, introducerer de materialesystemer, der er blevet udforsket, og de forskellige nye fænomener, der er blevet opdaget, og skitserer en fremtidig køreplan for at øge temperaturen og innovative applikationer.

"Vi håber, at andre vil finde det en rettidig gennemgang, der afklarer de vigtige begreber på området og de seneste publikationer, " siger Semonti.

"Seneste fremskridt i nærhedskobling af magnetisme til topologiske isolatorer" blev offentliggjort i Avancerede materialer i juni 2021.