В таких гетероструктурах интересное взаимодействие магнетизма и топологии может привести к новым явлениям, таким как квантовые аномальные холловские изоляторы, аксионные изоляторы и скирмионы. Все это многообещающие строительные блоки для будущей маломощной электроники.
При условии, что подходящие материалы-кандидаты найдены, есть возможность реализовать эти экзотические состояния при комнатной температуре и без какого-либо магнитного поля, что поможет FLEET в поисках будущей низкоэнергетической электроники за пределами КМОП.
«Наша цель состояла в том, чтобы исследовать многообещающие новые методы достижения квантового эффекта Холла», – говорит ведущий автор нового исследования доктор Семонти Бхаттачарья из Университета Монаша.
Квантовый эффект Холла (QHE) – это топологическое явление, которое позволяет высокоскоростным электронам течь по краю материала, что потенциально полезно для будущей низкоэнергетической электроники и спинтроники.
«Однако серьезным препятствием для использования этой технологии является тот факт, что квантовый эффект Холла всегда требует сильных магнитных полей, что невозможно без использования большого количества энергии или криогенного охлаждения."
"Нет смысла разрабатывать" низкоэнергетическую "электронику, которая потребляет больше энергии, чтобы заставить ее работать!"говорит доктор Бхаттачарья, научный сотрудник FLEET, ища новое поколение низкоэнергетической электроники.
Однако «коктейль» из топологической физики и магнетизма может позволить достичь подобного эффекта, квантового аномального эффекта Холла, когда подобные краевые состояния возникают без приложения внешнего магнитного поля.
Чтобы вызвать магнетизм в топологических изоляторах, использовали несколько стратегий:
за счет включения магнитной примеси,
за счет использования магнитных топологических изоляторов
индуцируя магнетизм через эффект близости в топологических гетероструктурах изолятор-магнитный изолятор.
«В нашем обзоре мы сосредоточились на недавних научных исследованиях гетероструктур по третьему подходу», – говорит соавтор доктор Голрох Ахгар (FLEET / Monash).
То есть, единая структура, включающая тонкопленочные слои топологических изоляторов и магнитных материалов, прилегающих друг к другу, что позволяет топологическому изолятору заимствовать магнитные свойства у своего соседа.
Этот подход позволяет исследователям настраивать каждый тип материала, например, увеличивая критическую температуру для магнитного материала, а также увеличивая ширину запрещенной зоны и уменьшая дефектные состояния в топологических материалах.
«Мы думаем, что этот подход для создания магнетизма в топологических изоляторах является наиболее многообещающим для будущих достижений, потому что магнетизм и топология могут быть индивидуально настроены в двух разных материалах, тем самым оптимизируя оба в нашу пользу», – говорит соавтор Мэтт Геберт (FLEET / Монаш).
Другой важной особенностью этой гетероструктуры является то, что наведенный магнетизм зависит только от магнитных моментов ближайшей плоскости внутри магнитного материала, поэтому магнитные материалы не обязательно должны быть ферромагнетиками – ферримагнетики или антиферромагнетики также могут быть использованы.
Это увеличивает количество возможных магнитных материалов, позволяя выбирать материалы с магнетизмом при более высоких температурах для работы при температуре, близкой к комнатной.
«Это захватывающая новая область исследований», – говорит автор-корреспондент профессор Майкл Фюрер, также из Университета Монаша.
«Прогресс происходит чрезвычайно быстро, и мы почувствовали, что пришло время для обзорной статьи, суммирующей недавние достижения и описывающей будущую дорожную карту в этой области», – говорит профессор Фюрер, директор FLEET.
В этом обзоре представлена вся информация, необходимая для знакомства с этой областью новых исследователей. В нем объясняются концептуальные идеи, лежащие в основе механизмов эффекта магнитной близости в топологических изоляторах, представлены системы материалов, которые были исследованы, и различные возникающие явления, которые были обнаружены, а также намечена будущая дорожная карта для повышения температуры и инновационных приложений.
«Мы надеемся, что другие сочтут это своевременным обзором, разъясняющим важные концепции данной области и недавние публикации», – говорит Семонти.