Tillverkning av MnBi2Te4 tunnflinganordning. (A) Optisk bild av representativa få lager MnBi2Te4-flingor klyvda på Al2O3 tunn film. MnBi2Te4/Al2O3 -stacken stöds av ett PDMS -substrat. Bilden erhölls i överföringsläge. Skalstapel:20 μm. (B) Optisk bild av samma MnBi2Te4/Al2O3-stack överförd till ett 285-nm SiO2/Si-substrat. Tejprester är synliga under Al2O3 -filmen; återstoden påverkar inte provtillverkning och efterföljande mätningar. (C) Optisk bild av en enhet tillverkad av provet som visas i B. Metall (Cr/Au) -kontakter till provet avdunstades termiskt genom en schablonmask. (D) Optisk bild av samma enhet efter att ha tagit bort överskott av MnBi2Te4 -fling som kortsluter intilliggande elektroder med en skarp spets. Kreditera: Vetenskap , doi:10.1126/science.aax8156
Nontrivial band topologi kan kombineras med magnetisk ordning i en magnetisk topologisk isolator för att producera exotiska tillstånd av materia såsom kvantanomala Hall (QAH) isolatorer och axion isolatorer. Ett syfte med kondensmaterialets fysik är att hitta nya material med användbara egenskaper och tillämpa kvantmekanik för att studera dem. Fältet har gjort det möjligt för fysiker att bättre förstå användningen av magneter för datalagring av hårddiskar, datorskärmar och annan teknik. Den senaste upptäckten av topologiska isolatorer har väckt stort intresse och forskare förutspår att samspelet mellan ferromagnetism och det topologiska isolatortillståndet kan förverkliga en rad exotiska kvantmagnetiska fenomen av intresse för grundläggande fysik och apparatapplikationer.
I en ny rapport, Yujun Deng och ett forskargrupp vid institutionerna för fysik och kvantämnesfysik i Kina, undersökte kvanttransport i en tunn fling MnBi 2 Te 4 topologisk isolator, med inneboende magnetisk ordning. De ferromagnetiska skikten kopplade anti-parallellt med varandra i det atomiskt tunna MnBi 2 Te 4 van der Waals -kristallskikt. Dock, provet blev ferromagnetiskt när det innehöll ett udda antal skiljeväggsskikt. Forskargruppen observerade nollfälts-QAH-effekten i ett prov med fem skiljeväggar vid 1,4 Kelvin. Resultaten fastställde MnBi 2 Te 4 som en idealisk plattform för att utforska exotiska topologiska fenomen med spontant bruten tidsomvändningssymmetri. Arbetet publiceras nu den Vetenskap .
Topologiska material innehåller tydligt topologiskt skyddade kvanttillstånd som är robusta mot lokala nödsituationer. Till exempel, i en topologisk isolator (TI) såsom vismut tellurid (Bi 2 Te 3 ), bulkbandstopologin kan garantera förekomsten av tvådimensionella (2-D) yttillstånd med gaplös Dirac-dispersion. Genom att införa magnetism i de initialt tidsomvända invarianta topologiska isolatorerna (TI), forskare kan framkalla djupgående förändringar i sin elektroniska struktur. Till exempel, att experimentellt observera QAH-effekten i kromdopad (Bi, Sb) 2 Te 3 , fysiker var tvungna att exakt styra förhållandet mellan flera element i ett icke-stökiometriskt material. Finjustering av materialet krävde att förena motstridiga krav och därför forskare var tvungna att exakt kvantisera den avvikande Hall -effekten endast vid temperaturer upp till T =2 K, långt under Curie -temperaturen och utbytesgapet i materialet. För att ytterligare utforska de rika topologiska fenomenen och deras potentiella tillämpningar, forskare måste använda inneboende magnetiska TI (topologiska isolatorer) med en medfödd magnetisk ordning för att studera deras topologiska effekter i orörda kristaller.
Tillverkning och karakterisering av MnBi2Te4-enheter med få lager. (A) Optisk bild av få lager flingor av MnBi2Te4 klyvda på termiskt avdunstad Al2O3 tunn film (tjocklek ~ 70 nm). MnBi2Te4/Al2O3 -stacken stöds på ett PDMS -substrat. Bilden togs i överföringsläge. Antal SL är märkta på utvalda flingor. Skalstapel:20 μm. (B) Transmittans som funktion av antalet SL:er. Transmittansen (fyllda cirklar) följer Beer-Lambert-lagen (heldragen linje). (C) Temperaturberoende provmotstånd för få lager MnBi2Te4. Den antiferromagnetiska övergången manifesteras som en motståndstopp i tre-, fyra- och femlagersprover (prov 3a, 4a och 5a, respektive; se tabell S1). Insats:skiktad kristallstruktur av MnBi2Te4 i det antiferromagnetiska tillståndet. Snurren av Mn2+ joner ordnar ferromagnetiskt i ett lager, medan angränsande lager kopplar antiferromagnetiskt med en magnetokristallin anisotropi ur planet. (D) Ryx av samma tre-, fyra-, och femlagers MnBi2Te4-prover som visas i C som en funktion av externt magnetfält applicerat vinkelrätt mot provplanet. Data erhölls vid T =1,6 K. Alla datamängder anti-symmetriiserades för att ta bort Rxx-komponent (23). Det yttre magnetfältet vänder på individuella ferromagnetiska SL, en SL i taget, och så småningom polariserar alla SL:er helt. De magnetiska övergångarna manifesteras som hopp i Ryx som är markerade med färgade fästingar på horisontella axlar. Tecknade serier visar magnetiska tillstånd vid representativa magnetfält (markerade med öppna cirklar). SL med upp (ned) magnetisering visas i rött (blått). För enkelheten, endast en av de möjliga konfigurationerna visas när det finns degenerationer; vi ignorerar också magnetiska domäner som kan finnas i några av de magnetiska tillstånden. Kreditera: Vetenskap , doi:10.1126/science.aax8156
I det här arbetet, Deng et al. undersökte kvanttransport i atomtunna flingor av inneboende magnetisk topologisk isolator MnBi 2 Te 4. Materialet innehöll en skiktad ternär tetradymitförening innehållande skiljeväggsskikt (Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te). Den resulterande MnBi 2 Te 4 kristall var inneboende magnetisk och magnetismen härstammar från Mn 2+ joner i kristallen. De studerade tunna flingor av MnBi 2 Te 4. för att minimera parallell bulkledning och fokuserad på MnBi 2 Te 4 flingor som innehåller ett udda antal lager.
Teamet började med högkvalitativ MnBi 2 Te 4 kristaller som odlats med en flussmetod för att erhålla atomtunn MnBi 2 Te 4 via Al 2 O 3 -assisterad peeling. För att åstadkomma detta, de avdunstade termiskt Al 2 O 3 tunn film på en nyberedd yta av bulkkristallen, lyfte massan med hjälp av en termisk släpptejp och släppte sedan den kombinerade Al 2 O 3 /MnBi 2 Te 4 stapla på en bit transparent polydimetylsiloxan (PDMS) för mikroskopisk inspektion. Därefter, de stämplade de tunna flingorna på en kiselskiva täckt med SiO 2 , följt av deponering av Cr/Au -kontakter för transportmätningar. Teamet slutförde processen i en lufttät låda för att förhindra provexponering för syre (O 2 ) och vatten (H 2 O) för att mildra provnedbrytning. De studerade sedan omfattande den rika uppsättningen magnetiska tillstånd för de få skiktade proverna.
Quantum anomalous Hall effect in a five-layer MnBi2Te4 flake. (A och B) Magnetfältberoende Ryx (A) och Rxx (B) förvärvade i femlagersprovet 5b vid T =1,4 K. Ryx- och Rxx-data som visas här är antisymmetriserade och symmetriserade, respektive, för att avlägsna blandningen av de två komponenterna (23). Upp och ner svep av magnetfältet visas i rött och blått, respektive. Ryx når 2 0,97 / h e, samtidigt med en Rxx på 2 0,061 / h e vid μ0H =0 T. Dessa funktioner är entydiga bevis på QAH-effekt med nollfält. Externt magnetfält polariserar de ferromagnetiska SL:erna individuellt, och ytterligare förbättrar QAH -kvantiseringen; Ryx kvantiserar till 2 0,998 / timme under magnetfält över μ0H ~ 2,5 T. (C) Rxx i prov 5b som en funktion av magnetfält som erhålls vid olika temperaturer. Data är symmetriserade för att ta bort Ryx -komponenten. (D) Arrhenius -diagram av Rxx som en funktion av 1/T under representativa magnetfält. Heldragna linjer är linjepassningar, vars sluttning ger energigapet för den termiskt aktiverade laddningstransporten. (E) Energigap som funktion av magnetfält extraherat från montering av Arrhenius -tomterna exemplifierade i D. Skuggade området representerar felgränsen för energigapet från linjen passar. Fasta cirklar markerar de representativa gapvärden som erhålls från beslagen som visas i D. Färgade fästingar på horisontella axlar på panel B, C och E markerar platsen för magnetiska övergångar. All data erhölls under en bakluckans förspänning på Vg =−200 V. Kredit: Vetenskap , doi:10.1126/science.aax8156
Deng et al. observerade en välutvecklad QAH-effekt vid nollmagnetfält i ett femlagers MnBi 2 Te 4 av mycket bättre provkvalitet. De noterade att ett externt magnetfält ytterligare förbättrade kvantiseringen genom att anpassa de ferromagnetiska skikten. Den ferromagnetiska inriktningen förbättrade också QAH -effektens robusthet mot termiska fluktuationer. Vid noll magnetfält, de fick ett energigap som översteg värdet i magnetiskt dopade Ti -tunna filmer, även om det fortfarande är mycket mindre än det utbytesgap som förväntas för MnBi 2 Te 4 .
Energigapet mätte inte direkt bandgapet för yttillstånden i kristallen, men kännetecknade den minsta energi som krävs för att excitera en elektron från valensen till ledningsbandet. Till exempel, en stor skillnad mellan energiklyftan och den förutspådda bandgapet innebar olika störningar i provet. Som ett resultat, det finns mycket utrymme att ytterligare öka energikalan för QAH -effekten i orörd, högkvalitativ MnBi 2 Te 4 prover.
Gate-tunad kvantanomalisk Hall-effekt i en femskikts MnBi2Te4-fling. (A) Magnetfältberoende Ryx, förvärvat i prov 5b, under olika grindförspänningar Vg (i 10 V -steg). All data erhölls vid T =1,6 K. Kurvor antisymmetriseras för att avlägsna Rxx-komponent. Färgade fästingar på den horisontella axeln markerar platsen för magnetiska övergångar. (B till D) Rxx och Ryx som funktioner för Vg under tre representativa magnetfält, μ0H =0 T, 5 T och 14 T. En ytterligare platå av () 2 /2 R he yx =- framträder vid Vg ~ −25 V, åtföljd av en försvinnande Rxx (panel D). Samma platå är också synlig i A vid μ0H> 10 T under fältsvepningar under Vg =−60 V. Detta bevis pekar på ett kvantiserat Hall -tillstånd med en fyllningsfaktor v =−2. Alla data erhölls i samma prov 5b, men Vg -värdena matchar inte exakt värdena i A på grund av hysteres under gate svep. Kreditera: Vetenskap , doi:10.1126/science.aax8156
Efter att det applicerade externa magnetfältet fullständigt polariserat femlagersprovet, energigapet minskade med ökande magnetfält. QAH -tillstånden utvecklades gradvis i den experimentella inställningen och gav en titt på den elektroniska strukturen hos ytbanden utanför bandgapet. Deng et al. förstod alla tillstånd som observerades i studien från en enhetlig uppfattning. Hallmätningarna nära noll magnetfält ger en grindeffektivitet på 5 x 10 10 centimeter -2 /V, som överensstämde väl med den effektivitet som beräknats från enhetens geometri. Sedan MnBi 2 Te 4 är ett skiktat material, laget förväntar sig att teknikerna som utvecklats för 2-D-material ska vara tillämpliga på MnBi 2 Te 4 . På det här sättet, Yujun Deng och kollegor räknar med att van der Waals heterostrukturer integrerar MnBi 2 Te 4 med andra magnetiska/supraledande 2-D-material kommer att ge grogrund för att ytterligare utforska exotiska topologiska kvantfenomen.
© 2020 Science X Network
