Naukowcy stworzyli najnowocześniejszą konstrukcję, umieszczając bardzo cienką warstwę specjalnego materiału izolacyjnego pomiędzy dwiema warstwami magnetycznymi. Ta nowa kombinacja działa jak kwantowy anomalny izolator Halla, znacznie poszerzając jego potencjalne zastosowanie w opracowywaniu ultrawydajnej elektroniki i innowacyjnej technologii słonecznej.
Zespół badawczy pod kierunkiem Uniwersytetu Monash odkrył, że struktura zawierająca ultracienki izolator topologiczny, umieszczony pomiędzy dwoma ferromagnetycznymi izolatorami 2D, przekształca się w kwantowy, anomalny izolator Halla o dużej przerwie wzbronionej.
Ta heterostruktura otwiera drzwi do elektroniki o ultraniskim zużyciu energii, a nawet topologicznej fotowoltaiki.
Wyjaśnienie kwantowego anomalnego efektu Halla
W tej innowacyjnej heterostrukturze materiały ferromagnetyczne stanowią „chleb” kanapki, zawierający izolator topologiczny – „wypełnienie” – znany ze swojej nietrywialnej topologii.
Połączenie magnetyzmu i skomplikowanej topologii pasm sprzyja pojawieniu się kwantowych anomalnych izolatorów Halla (QAH) i innych egzotycznych stanów kwantowych, umożliwiając przepływ prądu bez strat wzdłuż skwantowanych stanów brzegowych.
Indukowanie porządku magnetycznego w izolatorach topologicznych poprzez bliskość materiału magnetycznego oferuje obiecującą drogę do osiągnięcia efektu QAH w wyższych temperaturach (zbliżających się do temperatury pokojowej lub przekraczających ją) w bezstratnych zastosowaniach transportowych.
Zaawansowane materiały dla elektroniki przyszłości
Jedna z obiecujących architektur obejmuje strukturę warstwową składającą się z dwóch pojedynczych warstw MnBi2Te4 (izolator ferromagnetyczny 2D) po obu stronach ultracienkiego Bi2Te3 pośrodku (izolator topologiczny). Przewiduje się, że struktura ta zapewni solidną fazę izolatora QAH z pasmem wzbronionym znacznie przekraczającym energię cieplną dostępną w temperaturze pokojowej (25 meV).
Nowe badanie prowadzone pod kierunkiem Monash wykazało wzrost MnBi2Te4 / Bi2Te3 /MnBi2Te4 heterostrukturę za pomocą epitaksji z wiązek molekularnych i zbadał strukturę elektronową struktury za pomocą spektroskopii fotoelektronów z rozdzielczością kątową.
„Zaobserwowaliśmy silne, heksagonalnie wypaczone, masywne fermiony Diraca i pasmo wzbronione wynoszące 75 meV” – mówi główna autorka, doktorantka Monash, Qile Li.
Magnetyczne pochodzenie przerwy zostało potwierdzone poprzez obserwację zanikania pasma wzbronionego powyżej temperatury Curie, a także zerwaną symetrię odwrócenia czasu i efekt wymiany-Rashby, co doskonale zgadza się z obliczeniami teorii funkcjonału gęstości.
„Odkrycia te dostarczają wglądu w efekty bliskości magnetycznej w izolatorach topologicznych, które przesuwają bezstratny transport w izolatorach topologicznych w kierunku wyższej temperatury” – mówi lider grupy Monash i główny autor, dr Mark Edmonds.
Techniki eksperymentalne i ustalenia
2D MnBi2Te4 ferromagnesy indukują porządek magnetyczny (tj. interakcję wymienną z elektronami 2D Diraca) w ultracienkim izolatorze topologicznym Bi2Te3 poprzez bliskość magnetyczną.
Tworzy to dużą szczelinę magnetyczną, a heterostruktura staje się kwantowo anomalnym izolatorem Halla (QAH), tak że materiał staje się metaliczny (tj. przewodzi elektrycznie) wzdłuż swoich jednowymiarowych krawędzi, pozostając jednocześnie elektrycznie izolującym w swoim wnętrzu. Prawie zerowy opór wzdłuż krawędzi 1D izolatora QAH sprawia, że jest to tak obiecująca droga w kierunku niskoenergetycznej elektroniki nowej generacji.
Do chwili obecnej zastosowano kilka strategii realizacji efektu QAH, takich jak wprowadzanie rozcieńczonych ilości domieszek magnetycznych do ultracienkich warstw trójwymiarowych izolatorów topologicznych. Jednakże wprowadzenie domieszek magnetycznych do sieci krystalicznej może być trudne i skutkować zaburzeniem magnetycznym, co znacznie obniża temperaturę, w której można zaobserwować efekt QAH i ogranicza przyszłe zastosowania.
Zamiast włączać 3D metali przejściowych do sieci krystalicznej, bardziej korzystną strategią jest umieszczenie dwóch materiałów ferromagnetycznych na górnej i dolnej powierzchni trójwymiarowego izolatora topologicznego. Przerywa to symetrię odwrócenia czasu w izolatorze topologicznym z porządkiem magnetycznym, a tym samym otwiera przerwę wzbronioną w stanie powierzchniowym izolatora topologicznego i powoduje powstanie izolatora QAH.
Optymalizacja potencjału interfejsu
Jednak wywołanie wystarczającego porządku magnetycznego, aby otworzyć znaczną szczelinę za pomocą efektów bliskości magnetycznej, stanowi wyzwanie ze względu na niepożądany wpływ nagłego potencjału interfejsu, który powstaje w wyniku niedopasowania sieci między materiałami magnetycznymi a izolatorem topologicznym.
„Aby zminimalizować potencjał interfejsu podczas indukowania porządku magnetycznego przez bliskość, musieliśmy znaleźć ferromagnes 2D, który miałby podobne właściwości chemiczne i strukturalne do izolatora topologicznego 3D”, mówi Qile Li, która jest także doktorantką w Centrum Australijskiej Rady ds. Badań Naukowych za doskonałość w przyszłych niskoenergetycznych technologiach elektronicznych (FLEET).
„W ten sposób zamiast nagłego potencjału interfejsu następuje magnetyczne rozszerzenie topologicznego stanu powierzchni na warstwę magnetyczną. Ta silna interakcja skutkuje znacznym rozszczepieniem wymiany w topologicznym stanie powierzchni cienkiej warstwy i otwiera dużą szczelinę” – mówi Li.
Pojedyncza siedmiorzędowa warstwa wewnętrznego magnetycznego izolatora topologicznego MnBi2Te4 jest szczególnie obiecujący, ponieważ jest izolatorem ferromagnetycznym o temperaturze Curie wynoszącej 20 K.
„Co ważniejsze, ta konfiguracja jest strukturalnie bardzo podobna do dobrze znanego izolatora topologicznego 3D Bi2Te3z niedopasowaniem sieci wynoszącym zaledwie 1%” – mówi dr Mark Edmonds, zastępca badacza w FLEET.
Walidacja empiryczna w Laboratorium Narodowym Lawrence Berkeley
Zespół badawczy udał się do części Advanced Light Source w Lawrence Berkeley National Laboratory w Berkeley w USA, gdzie wyhodował heterostruktury ferromagnetyczne/topologiczne/ferromagnetyczne i zbadał ich elektroniczną strukturę pasmową we współpracy z naukowcem pracującym nad linią wiązek, dr Sung-Kwanem Mo.
„Chociaż nie możemy bezpośrednio zaobserwować efektu QAH za pomocą spektroskopii fotoemisyjnej z rozdzielczością kątową (ARPES), moglibyśmy zastosować tę technikę do zbadania wielkości otworu wzbronionego, a następnie potwierdzić, że ma on pochodzenie magnetyczne” – mówi dr Edmonds.
„Wykorzystując fotoemisję kątową moglibyśmy również zbadać sześciokątne wypaczenie w stanie powierzchniowym. Okazuje się, że siła wypaczenia w fermionach Diraca w naszej heterostrukturze jest prawie dwukrotnie większa niż w Bi2Te3” – mówi dr Edmonds
Zespołowi badawczemu udało się również potwierdzić strukturę elektronową, wielkość szczeliny i temperaturę, w której występuje ten MnBi2Te4/Bi2Te3/MnBi2Te4 heterostruktura prawdopodobnie będzie wspierać efekt QHE poprzez połączenie eksperymentalnych obserwacji ARPES z pomiarami magnetycznymi w celu określenia temperatury Curie (wykonanej przez zastępcę badacza FLEET, dr Davida Cortie na Uniwersytecie w Wollongong) i obliczeń teorii funkcjonału gęstości na podstawie pierwszych zasad wykonanych przez grupę Dr Shengyuan Yang (Singapurski Uniwersytet Technologii i Wzornictwa).
Odniesienie: „Duża szczelina magnetyczna w designerskim ferromagnetyku – izolator topologiczny – heterostruktura ferromagnetyczna” autorstwa Qile Li, Chi Xuan Trang, Weikang Wu, Jinwoong Hwang, David Cortie, Nikhil Medhekar, Sung-Kwan Mo, Shengyuan A. Yang i Mark T. Edmonds, 8 marca 2022 r., Zaawansowane materiały.
DOI: 10.1002/adma.202107520
Wzrost tej heterostruktury początkowo stwierdzono w Edmonds Electronic Structure Laboratory na Uniwersytecie Monash. Następnie folie heterostrukturalne hodowano i charakteryzowano za pomocą pomiarów ARPES w Advanced Light Source (Lawrence Berkeley National Laboratory) w Kalifornii.
Badanie zostało sfinansowane przez programy Centrów Doskonałości i DECRA Fellowship Australijskiej Rady ds. Badań Naukowych, natomiast podróż do Berkeley sfinansowała Australijski Synchrotron.
