Elektronen aan de rand: het verhaal van een intrinsieke magnetische topologische isolator

De waargenomen bandhiaten en het bijbehorende schema in 2D ferromagnetische isolator (links) en QAH-isolator MNBI₂TE₄ (Rechtsaf). Krediet: FLEET

Een intrinsieke magnetische topologische isolator MNBI₂TE₄ is ontdekt met een grote bandkloof, waardoor het een veelbelovend materiaalplatform is voor het fabriceren van ultra-low-energy elektronica en het observeren van exotische topologische verschijnselen.

Hosting van zowel magnetisme als topologie, ultradun (slechts enkele nanometers dik) MNBI₂TE₄ bleek een grote bandgap te hebben in een Quantum Anomalous Hall (QAH) isolerende toestand, waar het materiaal van metaal is (dwz elektrisch geleidend) langs de eendimensionale randen, terwijl het elektrisch isoleert aan de binnenkant. De bijna nul weerstand langs de 1D-randen van een QAH-isolator maakt het veelbelovend voor verliesvrije transporttoepassingen en apparaten met ultralage energie.

Geschiedenis van QAH: hoe bereik je het gewenste effect?

Voorheen was het pad naar het realiseren van het QAH-effect het introduceren van verdunde hoeveelheden magnetische doteermiddelen in ultradunne films van 3D-topologische isolatoren.

Verdunde magnetische dotering resulteert echter in een willekeurige verdeling van magnetische onzuiverheden, wat niet-uniforme dotering en magnetisatie veroorzaakt. Dit onderdrukt in hoge mate de temperatuur waarbij het QAH-effect kan worden waargenomen en beperkt mogelijke toekomstige toepassingen.

Een eenvoudigere optie is om materialen te gebruiken die deze elektronische toestand van materie als een intrinsieke eigenschap hosten.

Onlangs zijn er klassen van atomair dunne kristallen ontstaan, vergelijkbaar met het beroemde grafeen, die intrinsieke magnetische topologische isolatoren zijn (dwz die zowel magnetisme als topologische bescherming bezitten).

Deze materialen hebben het voordeel dat ze minder wanorde en grotere magnetische bandgaten hebben, waardoor robuuste magnetische topologische fasen bij hogere temperatuur kunnen werken (dwz dichter bij het uiteindelijke doel van werking bij kamertemperatuur).

“In de laboratoria van FLEET aan de Monash University kweekten we ultradunne films van een intrinsieke magnetische topologische isolator MNBI₂TE₄ en onderzochten hun elektronische bandstructuur”, legt hoofdauteur Dr. Chi Xuan Trang uit.

Let op de kloof: hoe de bandkloof in een magnetische topologische isolator te observeren?

Magnetisme geïntroduceerd in topologische isolatormaterialen breekt de tijdomkeringssymmetrie in het materiaal, wat resulteert in het openen van een opening in de oppervlaktetoestand van de topologische isolator.

“Hoewel we het QAH-effect niet direct kunnen waarnemen met behulp van hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie (ARPES), kunnen we deze techniek gebruiken om de grootte van een bandgap-opening op het oppervlak van MNBI te onderzoeken.₂TE₄ en hoe het evolueert met de temperatuur”, zegt Dr. Trang, een onderzoeksmedewerker bij FLEET.

In een intrinsieke magnetische topologische isolator, zoals MNBI₂TE₄, is er een kritische magnetische ordeningstemperatuur waarbij wordt voorspeld dat het materiaal een topologische faseovergang ondergaat van QAH-isolator naar een paramagnetische topologische isolator.

“Door hoek-opgeloste foto-emissie bij verschillende temperaturen te gebruiken, konden we de bandafstand in MNBI . meten₂TE₄ openen en sluiten om de topologische faseovergang en magnetische aard van de bandgap te bevestigen”, zegt Qile Li, een FLEET-promovendus en co-hoofdauteur van het onderzoek.

“De bandgaps van ultradunne film MBT kunnen ook veranderen als een functie van de dikte, en we hebben waargenomen dat een enkellaags MNBI₂TE₄ is een brede bandgap 2D ferromagnetische isolator. Een enkele laag MBT als een 2D-ferromagneet kan ook worden gebruikt in nabijheidsmagnetisatie wanneer deze wordt gecombineerd in een heterostructuur met een topologische isolator”, zegt Qile Li.

“Door onze experimentele waarnemingen te combineren met eerste-principes-dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) -berekeningen, kunnen we de elektronische structuur en de spleetgrootte van laagafhankelijke MNBI bevestigen₂TE₄”, zegt FLEET AI en groepsleider Dr. Mark Edmonds.

Toepassingen van de intrinsieke magnetische topologische isolator MNBI₂TE₄

MNBIC₂TE₄ heeft potentieel in een aantal klassieke computertoepassingen, zoals in lossless transport en ultra-low energy devices. Bovendien zou het kunnen worden gekoppeld aan een supergeleider om chirale Majorana-randtoestanden te veroorzaken, die belangrijk zijn voor topologische schema’s voor kwantumcomputerapparatuur.

De studie

FLEET-onderzoekers gebruikten hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie (ARPES) en dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) berekeningen om de elektronische toestand en bandstructuur van MNBI te bestuderen₂TE₄.

Crossover van 2D ferromagnetische isolator naar Quantum Anomalous Hall-isolator met brede bandafstand in ultradunne MNBI₂TE₄ werd gepubliceerd in augustus 2021 in ACS Nano.

Ultradunne MNBI₂TE₄ Het recept van de film in deze studie werd aanvankelijk gevonden in het Edmonds Electronic Structure-laboratorium aan de Monash University. Daarna werden de ultradunne films gekweekt en gekarakteriseerd met behulp van ARPES-metingen bij de Advanced Light Source (Lawrence Berkeley National Laboratory) in Californië.