(a) och (b) visar de elektroniska bandstrukturerna för Bi2Te3 och ett magnetiskt topologiskt isolatorprov; Dirac-konstrukturen är mycket mer framträdande i den senare. (c) De två markerade fotoemissionstopparna och deras progressiva sammansmältning tillskrevs stängningen av DC-gapet när temperaturen ökar. Kredit:Nature Communications
Forskare vid Tokyo Institute of Technology kastar ljus över förhållandet mellan de magnetiska egenskaperna hos topologiska isolatorer och deras elektroniska bandstruktur. Deras experimentella resultat ger nya insikter i de senaste debatterna om utvecklingen av bandstrukturen med temperatur i dessa material, som uppvisar ovanliga kvantfenomen och som förväntas vara avgörande i nästa generations elektronik, spintronik, och kvantdatorer.
Topologiska isolatorer har den speciella egenskapen att vara elektriskt ledande på ytan men isolerande på sitt inre. Detta verkar enkelt, unika egenskaper tillåter dessa material att ta emot en uppsjö av exotiska kvantfenomen som skulle vara användbara för kvantdatorer, spintronik, och avancerade optoelektroniska system.
För att låsa upp några av de ovanliga kvantegenskaperna, dock, det är nödvändigt att inducera magnetism i topologiska isolatorer. Med andra ord, någon sorts "ordning" i hur elektroner i materialet anpassar sig till varandra måste uppnås. År 2017, en ny metod för att uppnå denna bedrift föreslogs. Kallas "magnetisk förlängning, ' tekniken innebär att ett monolager av ett magnetiskt material sätts in i det översta lagret av den topologiska isolatorn, som kringgår de problem som orsakas av andra tillgängliga metoder som dopning med magnetiska föroreningar.
Tyvärr, användningen av magnetisk förlängning ledde till komplexa frågor och motstridiga svar angående den elektroniska bandstrukturen hos de resulterande materialen, som dikterar de möjliga energinivåerna för elektroner och i slutändan bestämmer materialets ledande egenskaper. Topologiska isolatorer är kända för att uppvisa vad som kallas en Dirac-kon (DC) i sin elektroniska bandstruktur som liknar två koner vända mot varandra. I teorin, DC är oöppnad för vanliga topologiska isolatorer, men blir gapad genom att inducera magnetism. Dock, det vetenskapliga samfundet har inte kommit överens om korrelationen mellan gapet mellan de två konspetsarna och materialets magnetiska egenskaper experimentellt.
Avsökningstransmissionselektronmikroskopbilder användes tillsammans med energispridande spektroskopi för att bestämma atomsammansättningen av de två möjliga strukturerna hos proverna. Kredit:Nature Communications
I ett nyligen försök att lösa denna fråga, forskare från flera universitet och forskningsinstitut genomförde en samarbetsstudie ledd av professor Toru Hirahara från Tokyo Tech, Japan. De tillverkade magnetiska topologiska strukturer genom att deponera Mn och Te på Bi 2 Te 3 , en väl studerad topologisk isolator. Forskarna teoretiserade att extra Mn-lager skulle interagera starkare med Bi 2 Te 3 och att framväxande magnetiska egenskaper kan tillskrivas förändringar i DC-gapet, som Hirahara förklarar:"Vi hoppades att starka magnetiska interaktioner mellan skikten skulle leda till en situation där överensstämmelsen mellan de magnetiska egenskaperna och DC-gapet var tydlig jämfört med tidigare studier."
Genom att undersöka de elektroniska bandstrukturerna och fotoemissionsegenskaperna hos proverna, de visade hur DC-gapet gradvis sluter sig när temperaturen ökar. Dessutom, de analyserade atomstrukturen för sina prover och hittade två möjliga konfigurationer, MnBi 2 Te 4 /Bi 2 Te 3 och Mn 4 Bi 2 Te 7 /Bi 2 Te 3 , varav den senare är ansvarig för DC-gapet.
Dock, en synnerligen förbryllande upptäckt var att temperaturen vid vilken DC-gapet sluter är långt över den kritiska temperaturen (TC), ovanför vilka material förlorar sin permanenta magnetiska ordning. Detta står i skarp kontrast till tidigare studier som indikerade att DC-gapet fortfarande kan vara öppet vid en temperatur högre än materialets TC utan att stängas. På denna notering, Hirahara anmärker:"Våra resultat visar, för första gången, att förlusten av långdistansmagnetisk ordning över TC och DC-gapets stängning inte är korrelerade."
Även om ytterligare ansträngningar kommer att behövas för att klargöra förhållandet mellan likströmsgapets natur och magnetiska egenskaper, denna studie är ett steg i rätt riktning. Förhoppningsvis, en djupare förståelse för dessa kvantfenomen kommer att hjälpa oss att skörda kraften hos topologiska isolatorer för nästa generations elektronik och kvantberäkningar.