Heterostrukturer med magnetism och topologi (geometri) är lovande material för att förverkliga exotiska topologiska kvanttillstånd. Dock, sådana material är utmanande att konstruera eller syntetisera. I en ny rapport om Vetenskapliga framsteg , Jiazhen Wu och ett tvärvetenskapligt forskargrupp vid avdelningarna för materialforskning, Optoelektronisk vetenskap, Fysik, Kondenserad materiaforskning och avancerat material i Japan och Kina, rapporterade utvecklingen av naturliga magnetiska van der Waals heterostrukturer. Konstruktionerna uppvisade kontrollerbara magnetiska egenskaper samtidigt som deras topologiska yttillstånd bibehölls.

Under processen, materialforskarna och fysikerna försvagade gradvis den antiferromagnetiska utbyteskopplingen mellan skikten samtidigt som den magnetiska lagerskillnaden ökades för att observera en avvikande Hall -effekt. Vid en temperatur under 5K, fenomenet var väl kopplat till magnetisering för att orsaka ferromagnetisk hysteres, dvs. applicera ett yttre magnetfält på en ferromagnet som orsakar inriktningen av dess atomdipoler. Forskarna syftar till att använda de homogena heterostrukturerna med atomiskt skarpa gränssnitt och inneboende magnetiska egenskaper för att studera exotiska fenomen som den kvantanomala Hall -effekten, axionisolatortillstånd och topologiska magnetoelektriska effekter (induktion av magnetisering genom ett elektriskt fält och induktion av elektrisk polarisering av ett magnetfält).

I fysik av kondenserad materia, magnetiska heterostrukturer har väckt stor uppmärksamhet för att bilda nya applikationer inom utvecklingsområdena spintronik och topotronik (nanoelektronik baserad på topologiska strukturer). Till exempel, väletablerade deponeringstekniker som underlättar tunnfilmstillväxt inklusive molekylär stråleepitaxi, pulserad laseravsättning och förstoftning har accelererat fältet för att underlätta unika egenskaper som jätte magnetoresistans. Till exempel, tunnelmagnetresistans hade tidigare visat på kärntekniska möjligheter för digital informationslagring. Dock, forskningsutvecklingen av magnetiska heterostrukturer förblir begränsad på grund av tillhörande deponeringstekniker, hindrar omfattande studier av unika materialsystem. Ändå, forskare använde nyligen överföringsmetoden för att förbereda van der Waals heterostrukturer intrikat med sofistikerade tekniker.

Forskare hade också nyligen utvecklat heterostrukturer i kombination med magnetiska lager och topologiska isolatorlager (TI) för att bilda exotiska topologiska kvanttillstånd. Men utvecklingen av en idealisk plattform för att studera kvanteffekter med hjälp av en homogen heterostruktur som innehåller atomiskt skarpa gränssnitt och inneboende magnetiska egenskaper förblir experimentellt svårfångat. I det här arbetet, Wu et al. rapporterade naturligt förekommande van der Waals heterostrukturer (MnBi ₂ Te ₄ ) _m (Bi ₂ Te ₃ ) _m med styrbara magnetiska egenskaper och topologiska yttillstånd (SS). De framställde enstaka kristaller med hjälp av fluxmetoden (metod för kristalltillväxt) och identifierade varianter av molekylerna med hjälp av röntgendiffraktionsmätningar (XRD) och skanningstransmissionselektronmikroskopi (STEM). När forskargruppen gradvis försvagade interferensens antiferromagnetiska (AFM) utbytesinteraktioner, materialen omvandlas till ett konkurrerande system för magnetisk ordning med ett ferromagnetiskt (FM) tillstånd stabiliserat under 5K.

Eftersom magnetiseringen hade en lätt axel utanför planet, forskarna observerade en avvikande Hall (AH) -effekt - väl kopplad till magnetisering. De undersökte de icke -privata elektroniska strukturerna hos MnBi ₄ Te ₇ i bulk och yta med beräkningar av densitetsfunktionell teori (DFT) för att bekräfta dess antiferromagnetiska topologiska isolator (AFM TI) egenskaper. Wu et al. experimentellt upptäckt yttillstånden med hjälp av vinkelupplösta fotoemissionsspektroskopi (ARPES) -mätningar och förväntar sig att det nya materialet ska ge en plattform för att undersöka olika intressen inom spintronik och topotronik.

Till exempel, den nyligen rapporterade MnBi ₂ Te ₄ syntetisk förening är en inneboende van der Waals antiferromagnet som visar topologiska icke -triviala yttillstånd (SS). Eftersom de två van der Waals -materialen Bi ₂ Te ₃ och MnBi ₂ Te ₄ visat liknande gitterbegränsningar, forskarna var angelägna om att testa möjligheten att syntetisera naturliga heterostrukturer med alternerande femdubbla atomlager (QL) och septuple atomlager (SLs).

Baserat på antagandet, forskarna förberedde polykristallina prover i förhållande till formuleringen av (MnBi ₂ Te ₄ ) _m (Bi ₂ Te ₃ ) _n och bildade MnBi ₄ Te ₇ och MnBi ₆ Te ₁₀ med användning av en reaktionsväg i fast tillstånd. Forskargruppen observerade de nya heterostrukturerna med hjälp av högvinkliga ringformiga mörkfält (HAADF) och STEM-mätningar. Atomupplösningsbilderna överensstämde mycket med kristallstrukturerna som tidigare erhållits med hjälp av XRD -mätningar och anpassade sig till den föreslagna modellen. De bekräftade vidare höga kristallinitetsgrader hos de beredda proverna med användning av utvalda elektrodiffraktionsmönster (SAED).

För att testa de fysiska egenskaperna, Wu et al. sedan växte enstaka kristaller av MnBi ₂ Te ₄ och MnBi ₄ Te ₇ med hjälp av en flödesassisterad metod och fann syntesen vara svår eftersom faserna bara utvecklades vid ett mycket smalt temperaturintervall. Forskarna visade MnBi ₄ Te ₇ att vara jämförelsevis mer komplex på grund av närvaron av både QL och SL (femman och septupel) atomlager. Forskarna kontrollerade den färska ytan på proverna med hjälp av Auger-elektronspektroskopi och röntgenfotoelektronspektroskopi under högt vakuum och resultaten indikerade att proverna var rena och bekräftade förekomsten av alla föreslagna element (mangan [Mn], vismut [Bi] och tellurium [Te]).

För att förstå de magnetiska strukturerna, Wu et al. nästa utförde magnetiseringsmätningar av de enkristallina proverna MnBi ₂ Te ₄ och MnBi ₄ Te ₇ . De två föreningarna visade kontrasterande magnetiska strukturer. För ytterligare inblick i MnBis elektroniska struktur och topologi ₄ Te _7, forskargruppen genomförde DFT -beräkningar (densitetsfunktionell teori) med hjälp av hybridfunktionell metod, som ofta används för att studera material med små bandgap. Teamet visade bandstrukturer av bulk MnBi ₄ Te ₇ förening med och utan spin-orbit-koppling (SOC).

Därefter, forskarna mätte yttillståndet för MnBi ₄ Te ₇ med hjälp av ARPES (vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi) vid 20 och 300 K med en excitationsfotenergi på 48 eV liknande en tidigare undersökning. Jämfört med de beräknade resultaten, de observerade att de uppmätta yttillstånden härrör huvudsakligen från SL- (septuple atomic layer), även om de inte utesluter bidrag från QL- (femdubbla atomskiktet). För att förklara observationerna, forskarna övervägde också möjligheten att QL/SL ytdomänstorlekar är mycket mindre än fotonstrålfläckstorleken som används för spektroskopisk (ARPES) analys.

Wu et al. observerade ferromagnetiska snurrningsfluktuationer i MnBi ₄ Te ₇ över övergångstemperaturen (T _N ) och tillgodoräknade dem resultaten som observerats i installationen. Resultaten föranledde dock en öppen fråga som krävde ytterligare undersökningar. I synnerhet, yttillstånd för MnBi ₄ Te ₇ var mer komplexa än MnBi ₂ Te ₄ genom att förstå ytegenskaperna och avstämbara magnetiska egenskaperna hos de magnetiska heterostrukturerna kommer forskarna helst att kunna utforska avstämbara kvantiserade magnetoelektriska fenomen i framtiden.

Wu et al. registrerade också MnBis elektriska egenskaper ₄ Te ₇ enstaka kristaller, som särskilt skilde sig från MnBi ₂ Te ₄ variant. Föreningen hade en metallisk konduktivitet med Hall -effekten som visade en bärarkoncentration på 2,85 x 10 ²⁰ centimeter ^-3 vid 2 grader Kelvin. Hallresistiviteten hade ett linjärt fältberoende vid höga fält för att föreslå en enda bärare i föreningen. Wu et al. kännetecknade de avvikande elektriska transportegenskaperna och magnetiska strukturerna hos MnBi ₄ Te ₇ enkla kristaller för att ytterligare visa beroende av spin-flip-övergångar på magnetoresistans.

De associerade elektronerna i föreningen genomgick en högre spridningshastighet vid magnetoresistansplatåer (högmotståndstillstånd) än vid ett lägre eller högre magnetfält. Forskarna observerade att sådana magnetoresistansplatåer inte kunde överleva vid högre temperaturer (> 0,35 K) eftersom termisk aktivering potentiellt kan förstöra antiferromagnetiska tillstånd som får systemet att gå in i ett ferromagnetiskt tillstånd. Viktigt, platåerna i avvikande Hall -konduktivitet liknade axionisolerande tillstånd och därför, det nuvarande systemet kan också potentiellt bilda en plattform för att skapa lämpligt inställda axionsisolatorer. När strömmen flyter över de magnetiska och omagnetiska skikten i installationen, magnetoresistanseffekterna kan växa mycket starkare, liknande material med jätte magnetoresistans.

På det här sättet, Jiazhen Wu och kollegor sammanfattade de fält- och temperaturberoende magnetiska strukturerna för MnBi ₄ Te ₇ , indikerar föreningen som ett magnetiskt ordnings konkurrerande system. Jämförelsevis, de observerade inte denna konkurrerande situation med MnBi ₂ Te ₄ . Forskarna förväntar sig att den konkurrerande magnetiska ordningen av föreningarna kommer att framkalla outforskade kvanttopologiska tillstånd. De experimentella exotiska magnetstrukturerna för föreliggande material kommer att leda till grundläggande intressen för magnetism. Arbetet kommer också att ge en ny plattform för topotronik för att realisera kvantiserade magnetoelektroniska fenomen. Den framgångsrika isoleringen av van der Waals-material kommer att ge både materialforskare och fysiker helt nya möjligheter att studera samspelet mellan magnetism och topologi inom tvådimensionella gränser.

© 2019 Science X Network