Elektroner på kanten:Historien om en iboende magnetisk topologisk isolator

En iboende magnetisk topologisk isolator MNBI ₂ TE ₄ er blevet opdaget med et stort båndgab, gør det til en lovende materialeplatform til fremstilling af ultra-lav-energi elektronik og observation af eksotiske topologiske fænomener.

Vært for både magnetisme og topologi, ultratynd (kun flere nanometer i tykkelse) MNBI ₂ TE ₄ viste sig at have et stort båndgab i en Quantum Anomalous Hall (QAH) isolerende tilstand, hvor materialet er metallisk (dvs. elektrisk ledende) langs dens endimensionelle kanter, mens den er elektrisk isolerende i dets indre. Den næsten nul modstand langs 1D-kanterne af en QAH-isolator, gør det lovende til tabsfri transportapplikationer og ultra-lavenergienheder.

Historien om QAH:hvordan man opnår den ønskede effekt

Tidligere, vejen mod at realisere QAH-effekten var at introducere fortyndede mængder af magnetiske dopingmidler i ultratynde film af 3D topologiske isolatorer.

Imidlertid, fortyndet magnetisk doping resulterer i en tilfældig fordeling af magnetiske urenheder, forårsager uensartet doping og magnetisering. Dette undertrykker i høj grad den temperatur, ved hvilken QAH-effekten kan observeres, og begrænser mulige fremtidige anvendelser.

En enklere mulighed er at bruge materialer, der er vært for denne elektroniske tilstand af stof som en iboende egenskab.

For nylig, klasser af atomisk tynde krystaller er opstået, ligner den berømte grafen, der er iboende magnetiske topologiske isolatorer (dvs. har både magnetisme og topologisk beskyttelse).

Disse materialer har den fordel, at de har mindre uorden og større magnetiske båndgab, tillader robuste magnetiske topologiske faser, der fungerer ved højere temperatur (dvs. tættere på det endelige mål med stuetemperaturdrift).

"På FLEETs laboratorier på Monash University, vi dyrkede ultratynde film af en iboende magnetisk topologisk isolator MNBI ₂ TE ₄ og undersøgte deres elektroniske bandstruktur, " forklarer hovedforfatteren Dr. Chi Xuan Trang.

Pas på kløften:hvordan man observerer båndgabet i en magnetisk topologisk isolator

Magnetisme introduceret i topologiske isolatormaterialer bryder tids-reverseringssymmetrien i materialet, resulterer i åbning af et hul i overfladetilstanden af ​​den topologiske isolator.

"Selvom vi ikke direkte kan observere QAH-effekten ved hjælp af vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi (ARPES), vi kan bruge denne teknik til at undersøge størrelsen af ​​en båndgab-åbning på overfladen af ​​MNBI ₂ TE ₄ og hvordan det udvikler sig med temperaturen, " siger Dr. Trang, der er forskningsstipendiat ved FLEET.

I en iboende magnetisk topologisk isolator, såsom MNBI ₂ TE ₄ , der er en kritisk magnetisk ordenstemperatur, hvor materialet forudsiges at gennemgå en topologisk faseovergang fra QAH-isolator til en paramagnetisk topologisk isolator.

"Ved at bruge vinkelopløst fotoemission ved forskellige temperaturer, vi kunne måle båndgabet i MNBI ₂ TE ₄ åbning og lukning for at bekræfte den topologiske faseovergang og magnetiske karakter af båndgabet, " siger Qile Li, en FLEET Ph.D.-studerende og medforfatter på undersøgelsen.

"Båndgabet af ultratynd film MBT kan også ændre sig som en funktion af tykkelsen, og vi observerede, at et enkelt lag MNBI ₂ TE ₄ er en 2D ferromagnetisk isolator med bred båndgab. Et enkelt lag af MBT som en 2D ferromagnet kan også bruges i nærhedsmagnetisering, når det kombineres i en heterostruktur med en topologisk isolator." siger Qile Li.

"Ved at kombinere vores eksperimentelle observationer med beregninger af densitetsfunktionsteori (DFT) med de første principper, vi kan bekræfte den elektroniske struktur og hulstørrelsen af ​​lagafhængige MNBI ₂ TE ₄ , " siger FLEET AI og gruppeleder Dr. Mark Edmonds.

Anvendelser af den iboende magnetiske topologiske isolator MNBI ₂ TE ₄

MNBI ₂ TE ₄ har potentiale i en række klassiske computerapplikationer, såsom i tabsfri transport og ultra-lavenergienheder. Desuden, den kunne kobles med en superleder for at give anledning til chirale Majorana-kanttilstande, som er vigtige for topologiske kvantecomputersystemer.

Studiet

FLEET researchers used angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES), and density functional theory (DFT) calculations to study the electronic state and band structure of MNBI ₂ TE ₄ .

Crossover from 2D Ferromagnetic Insulator to Wide Band Gap Quantum Anomalous Hall Insulator in Ultrathin MNBI ₂ TE ₄ was published in August 2021 in ACS Nano.

Ultrathin MNBI ₂ TE ₄ film's recipe in this study was initially found in Edmonds Electronic Structure laboratory at Monash University. Bagefter, the ultrathin films were grown and characterized using ARPES measurements at the Advanced Light Source (Lawrence Berkeley National Laboratory) in California.