Att realisera flera avledningslösa kanttillstånd och öka arbetstemperaturen i Cherns isolatortillstånd är inte bara de viktigaste forskningsämnena inom fysik, men förväntas också främja utvecklingen av elektronik med låg förbrukning och integrerade kretsar. Kredit:International Center for Quantum Materials, Skolan för fysik, Pekings universitet
Quantum Hall-effekten (QHE) är en av de viktigaste upptäckterna inom fysikaliska vetenskaper. På grund av de endimensionella (1-D) avledningslösa kanttillstånden, QHE uppvisar exotiska transportegenskaper med kvantifierad Hall-resistans på h/νe2 och försvinnande longitudinell resistans. Här, h är Plancks konstant, ν är Landau fyllningsfaktor och e är elektronladdning. QHE härstammar vanligtvis från bildandet av anmärkningsvärd energigap och den trasiga tids-reverseringssymmetrin, som kräver material med hög rörlighet, högt magnetfält och ultralåg temperatur. Dessa rigorösa förhållanden begränsar i hög grad den djupa utforskningen och breda tillämpningarna av QHE. 1988, Haldane föreslog teoretiskt att QHE kan realiseras utan att applicera externt magnetfält, dvs Chern isolatortillstånd eller kvantanomal Hall-effekt (QAHE).
Under 2013, QAHE med Chern nummer C=1 observerades experimentellt i tunna filmer av kromdopad (Bi, Sb) 2 Te 3 vid en temperatur ned till 30 mK. Efteråt, Haldane tilldelades 2016 års Nobelpris i fysik för sina tidiga teoretiska arbeten om materiens topologiska faser inklusive förutsägelsen av QAHE. De 1D-avledningsfria kanttillstånden hos Chern-isolatorer ger en möjlig lösning på den oundvikliga uppvärmningen i integrerade kretsar. I allmänhet, endast ett 1-D-spridningslöst kanttillstånd kan realiseras vid ultralåga temperaturer i magnetiskt dopade topologiska isolatorer, vilket är långt ifrån tillämpningskraven. Därför, att realisera flera avledningslösa kanttillstånd och öka arbetstemperaturen i Cherns isolatortillstånd är inte bara de viktigaste forskningsämnena inom fysikaliska vetenskaper, men förväntas också främja utvecklingen av elektronik med låg förbrukning och integrerade kretsar.
Nyligen, ett forskningssamarbete som leds av professor Wang Jian vid Peking University, Professor Xu Yong och professor Wu Yang vid Tsinghua University har upptäckt Chern-isolatortillstånd med högt Chern-tal och hög temperatur i MnBi 2 Te 4 enheter, representerar ett stort genombrott i Cherns isolatorer och topologiska kvanttillstånd.
MnBi 2 Te 4 är ett skiktat magnetiskt topologiskt material. Som visas i fig. la, monolager MnBi 2 Te 4 innehåller sju atomlager, bildar ett Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te-septuple lager (SL), vilket kan ses som att interkalera ett Mn-Te-dubbelskikt i mitten av en Bi 2 Te 3 femdubbla lager. MnBi 2 Te 4 uppvisar ferromagnetisk (FM) ordning inom SL och anti-ferromagnetisk (AFM) ordning mellan angränsande SL:er med en enkel axel utanför planet. Teoretiska beräkningar visar att olika exotiska topologiska tillstånd kan förväntas i MnBi 2 Te 4 , som QAHE i udda SLs filmer, axionisolatortillstånd i även SLs filmer, AFM topologisk isolator vid noll magnetfält och magnetisk Weyl semimetall under vinkelrät magnetfält i bulk. Rikliga exotiska topologiska tillstånd och skiktad struktur gör MnBi 2 Te 4 en utmärkt plattform för observation och modulering av topologiska kvanttillstånd.
(a) Schematisk kristallstruktur av MnBi2Te4. De röda och blå pilarna anger magnetiska moment av Mn-atomer. (b) Hög-Chern-nummer (C=2) Chern-isolatortillstånd i 10-SL MnBi2Te4-enhet. (c), (d) Temperaturutveckling för Chern-isolatortillståndet med högt Chern-tal (C=2). (e) Schematiskt C=2 Chern-isolatortillstånd med två avledningsfria kanttillstånd. De två olika färgerna används för att särskilja de intilliggande MnBi2Te4 SL:erna. Denna figur är anpassad från https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa089 Kredit:The International Centre for Quantum Materials, Skolan för fysik, Pekings universitet
Forskarna tillverkade flera MnBi 2 Te 4 enheter med olika tjocklek. I 9-SL och 10-SL MnBi 2 Te 4 enheter, en hallmotståndsplatå med höjd h/2e2 åtföljd av nästan försvinnande längsgående motstånd observeras genom att applicera ett vinkelrätt magnetfält på 5 T, vilket är karakteristiskt för Chern-isolatorn med två avledningsfria kanttillstånd (C=2) (Fig. Ib). Mer intressant, C =2 Chern-isolatortillståndet i 10-SL MnBi 2 Te 4 enheten kan hålla över 10 K (fig. 1c, d). Detta är den första experimentella upptäckten av flera avledningsfria kanttillstånd över flytande heliumtemperatur.
Forskarna studerade vidare påverkan av tjockleken på MnBi 2 Te 4 enheter på Chern-nummer. I 7-SL och 8-SL MnBi 2 Te 4 enheter, en kvantiserad Hallresistansplatå h/e2 som åtföljs av nästan försvinnande longitudinell resistans, dvs Chern isolatortillstånd med C=1 observeras. Mer viktigt, Hall-platån visar nästan kvantiserat motstånd även vid 45 K i 7-SL MnBi 2 Te 4 enhet (fig. 2a-c) och över 30 K i 8-SL MnBi 2 Te 4 anordning (fig. 2d-f), som uppenbarligen är högre än Néel-temperaturen (cirka 22 K) för MnBi 2 Te 4 enheter.
De observerade Chern-isolatortillstånden med högt Chern-tal och hög temperatur kräver applicering av svagt magnetfält på grund av den antiferromagnetiska naturen hos MnBi 2 Te 4 vid noll magnetfält. Eftersom den vanliga QHE också kan ge upphov till kvantiserad Hall -resistansplatå och försvinnande längsgående motstånd, det är nödvändigt att utesluta påverkan av Landau-nivåer (LLs) inducerade av externt magnetfält på fynden. Forskarna uppskattade först MnBis rörlighet 2 Te 4 enheter, som visar sig sträcka sig från 100 till 300 cm 2 V −1 s −1 . Sådan låg rörlighet kräver ett externt magnetfält som är högre än 30 T för att QHE med LLs ska kunna observeras, vilket är mycket högre än kvantiseringsmagnetfältet i vår MnBi 2 Te 4 enheter. Forskarna visade vidare att tecknet på Chern-numret förblir oförändrat med bärartypen när man applicerar back gate-spänningar, otvetydigt utesluter möjligheten för den vanliga QHE med LLs.
(a)-(c) Högtemperatur Chern-isolatortillstånd i 7-SL MnBi2Te4-enhet. (d)-(f) Högtemperatur Chern-isolatortillstånd i 8-SL MnBi2Te4-enhet. Denna siffra är från https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa089 Kredit:The International Centre for Quantum Materials, Skolan för fysik, Pekings universitet
Ursprunget för de observerade chernisolatortillstånden avslöjas genom teoretiska beräkningar. Ferromagnetisk MnBi 2 Te 4 förutspås vara den enklaste magnetiska Weyl-halvmetallen, som bara har ett par Weyl-poäng (WP) nära Fermi-nivån. Kvantinneslutning leder till Chern-isolatortillståndet och lagerberoende Chern-nummer i fålagers MnBi 2 Te 4 , tillåter förekomsten av multipla avledningsfria kanttillstånd i bulkbandgapet, vilket överensstämmer med de experimentella fynden. Upptäckten av Chern-isolatortillstånd med högt Chern-tal ger också experimentella bevis på ett sätt för det magnetiska Weyl-halvmetalltillståndet i MnBi 2 Te 4 .
Chern-isolatortillstånden med högt Chern-tal och hög temperatur som upptäckts i de inneboende magnetiska topologiska materialen kommer att stimulera utforskningen av högre temperaturer och till och med rumstemperatur QAHE, och bana väg för stora genombrott inom fysik, materialvetenskap och informationsteknologi.
Uppsatsen med titeln "High-Chern-Number and High-Temperature Quantum Hall Effect without Landau Levels, " publicerades online i National Science Review .
