Обладая как магнетизмом, так и топологией, ультратонкий (всего несколько нанометров) MnBi2Te4, как было обнаружено, имеет большую запрещенную зону в изолирующем состоянии квантового аномального холла (QAH), где материал является металлическим (т. Е. Электрически проводящим) по всей длине. одномерные края, при этом электрически изолирующие внутри.
Практически нулевое сопротивление вдоль одномерных краев изолятора QAH делает его перспективным для транспортных приложений без потерь и устройств со сверхнизким энергопотреблением.
ИСТОРИЯ КАХ: КАК ДОБЫТЬ ЖЕЛАНОГО ЭФФЕКТА
Ранее путь к реализации эффекта QAH заключался в введении разбавленных количеств магнитных примесей в ультратонкие пленки трехмерных топологических изоляторов.
Однако разбавленное магнитное легирование приводит к случайному распределению магнитных примесей, вызывая неоднородное легирование и намагничивание.
Это значительно снижает температуру, при которой может наблюдаться эффект QAH, и ограничивает возможные будущие применения.
Более простой вариант – использовать материалы, которые содержат это электронное состояние вещества как внутреннее свойство.
В последнее время появились классы атомно-тонких кристаллов, подобных знаменитому графену, которые являются собственными магнитными топологическими изоляторами (т. Е. Обладают как магнетизмом, так и топологической защитой).
Преимущество этих материалов в том, что они имеют меньший беспорядок и большие магнитные запрещенные зоны, что позволяет надежным магнитным топологическим фазам работать при более высоких температурах (т. Е. Ближе к конечной цели работы при комнатной температуре).
«В лабораториях FLEET в Университете Монаша мы выращивали ультратонкие пленки собственного магнитного топологического изолятора MnBi2Te4 и исследовали их электронную зонную структуру», – объясняет ведущий автор доктор Чи Сюан Транг.
УЧИТЫВАЙТЕ ЗАЗОР: КАК СОБЛЮДАТЬ ЗАЗОР В МАГНИТНОМ ТОПОЛОГИЧЕСКОМ ИЗОЛЯТОРЕ
Магнетизм, введенный в материалы топологического изолятора, нарушает симметрию относительно обращения времени в материале, что приводит к открытию зазора в поверхностном состоянии топологического изолятора.
«Хотя мы не можем напрямую наблюдать эффект QAH с помощью фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES), мы можем использовать этот метод, чтобы исследовать размер ширины запрещенной зоны на поверхности MnBi2Te4 и то, как он изменяется с температурой."говорит доктор Транг, научный сотрудник FLEET.
В собственном магнитном топологическом изоляторе, таком как MnBi2Te4, существует критическая температура магнитного упорядочения, при которой материал, по прогнозам, претерпит топологический фазовый переход от QAH-изолятора к парамагнитному топологическому изолятору.
«Используя фотоэмиссию с угловым разрешением при различных температурах, мы могли измерить ширину запрещенной зоны в MnBi2Te4, открывающуюся и закрывающуюся, чтобы подтвердить топологический фазовый переход и магнитную природу запрещенной зоны», – говорит Киль Ли, аспирант FLEET и один из ведущих авторов исследования. учиться.
«Ширина запрещенной зоны сверхтонкой пленки MBT также может изменяться в зависимости от толщины, и мы заметили, что однослойный MnBi2Te4 представляет собой широкозонный 2D-ферромагнитный изолятор. Одиночный слой MBT в качестве 2D-ферромагнетика также может быть использован при намагничивании в непосредственной близости при объединении в гетероструктуру с топологическим изолятором."говорит Циле Ли.
"Комбинируя наши экспериментальные наблюдения с расчетами из первых принципов теории функционала плотности (DFT), мы можем подтвердить электронную структуру и размер щели зависимого от слоев MnBi2Te4."говорит FLEET AI и руководитель группы д-р. Марк Эдмондс.
ПРИМЕНЕНИЕ ВНУТРЕННЕГО МАГНИТНОГО ТОПОЛОГИЧЕСКОГО ИЗОЛЯТОРА MNBI2TE4
MnBi2Te4 имеет потенциал в ряде классических вычислительных приложений, таких как транспортировка без потерь и устройства со сверхнизким энергопотреблением.
Кроме того, он может быть соединен со сверхпроводником, чтобы вызвать киральные краевые майорановские состояния, которые важны для схем топологических квантовых вычислительных устройств.