Et spin på en topologisk isolator:Hybrid tilgang til magnetiske topologiske tilstande af stof

Styring af interaktionerne ved grænsefladen af ​​en magnetisk/topologisk isolator-heterostruktur er en enestående udfordring med implikationer i grundlæggende videnskab og teknologi. En forskning ledet af ICN2 Atomic Manipulation and Spectroscopy Group og Physics and Engineering of Nanodevices Group, i samarbejde med Supramolecular Nanochemistry and Materials Group, CFM-San Sebastián, ETH Zürich, ISM-Trieste og ALBA Synchrotron, har vist, at ligander fra metalorganiske molekyler kan bruges til at skræddersy egenskaberne af disse grænseflader. Resultaterne præsenteres i ACS Nano .

En topologisk isolator (TI) er et materiale, der opfører sig som en isolator i dets indre, men hvis overflade indeholder eksotiske ledende tilstande, lader derfor elektroner kun bevæge sig i materialets overflade. Den mest ejendommelige egenskab ved disse overfladeelektroner er, at deres spin er låst til bevægelsesretningen, så den kan manipuleres af elektriske strømme.

Grænseflade TI'er med et magnetisk materiale kan give anledning til fænomener som den strøminducerede spin-til-ladnings-interkonvertering og fremkomsten af ​​dissipationsløse spin-strømme, som kan udnyttes i nye spintroniske enheder, metrologi eller i elektron-spin-baserede kvanteinformationsapplikationer. Imidlertid, denne forening af TI og magnetisk materiale til en såkaldt heterostruktur er en kompleks proces, der ofte forhindrer kontrol med de særlige fænomener, der er beskrevet før. I særdeleshed, når TI er forbundet direkte med metalliske ferromagneter, den stærke interaktion mellem de to materialer fører til uønskede effekter såsom tab af magnetiske egenskaber eller undertrykkelse af de topologiske overfladetilstande.

Derimod metal-organiske molekyler, organiske molekyler, der er vært for en (magnetisk) metallisk ion, er blevet tænkt som kandidater til at udvikle magnetiske/TI-heterostrukturer, hvor grænsefladeinteraktioner er skræddersyet af den organiske ligand. Det er netop, hvad forskere fra ICN2, i samarbejde med CFM-San Sebastián, ETH Zürich, ISM-Trieste og ALBA Synchrotron, har demonstreret. Udgivet i ACS Nano , denne forskning er blevet ledet af ICREA prof. Aitor Mugarza, Leder af Atomic Manipulation and Spectrocopy Group og ICREA prof. Sergio O. Valenzuela, Leder af Physics and Engineering of Nanodevices Group. De har haft samarbejde med ICREA prof. Daniel Maspoch, Leder af Supramolecular Nanochemistry and Materials Group, som har syntetiseret det metalorganiske molekyle. Den første forfatter til værket er tidligere ICN2's ph.d. elev Marc G. Cuxart.

I dette arbejde, forskerne har for første gang vist, at det er muligt at tune interfaciale interaktion uden at slukke for det molekylære spin og den topologiske overfladetilstand af TI ved at vælge egnede organiske ligander. I særdeleshed, de fandt ud af, at CoTBrPP- og CoPc-monolag (metal-organiske molekyler) adsorberet på Bi2Te3 (topologisk isolator) danner robuste grænseflader, hvor elektroniske interaktioner kan indstilles uden kraftigt at forstyrre de iboende egenskaber af hver bestanddel. Deres konklusioner er understøttet af strukturelle, elektronisk og magnetisk information afledt af en kombination af specialiserede teknikker (STM, ARPES, XMCD og DFT).