Huvudförfattare Dr Semonti Bhattacharyya. Kredit:Monash University School of Physics and Astronomy
En ny Monash-recension kastar strålkastarljuset på nyare forskning om heterostrukturer av topologiska isolatorer och magnetiska material.
I sådana heterostrukturer, det intressanta samspelet mellan magnetism och topologi kan ge upphov till nya fenomen som kvantanomala Hall-isolatorer, axionsisolatorer och skyrmioner. Alla dessa är lovande byggstenar för framtida lågeffektelektronik.
Förutsatt att lämpligt kandidatmaterial finns, det finns en möjlighet att realisera dessa exotiska tillstånd vid rumstemperatur och utan något magnetfält, hjälper därför FLEET:s sökande efter framtida lågenergi, bortom CMOS-elektronik.
Att hitta rätt blandning av topologi och magnetism
"Vårt mål var att undersöka lovande nya metoder för att uppnå kvanthalleffekten, " säger den nya studiens huvudförfattare, Dr Semonti Bhattacharyya vid Monash University.
Kvant Hall-effekten (QHE) är ett topologiskt fenomen som tillåter höghastighetselektroner att flöda vid ett materials kant, vilket är potentiellt användbart för framtida lågenergielektronik och spintronik.
"Dock, en allvarlig flaskhals för att denna teknik är användbar är det faktum att kvanthalleffekten alltid kräver höga magnetfält, som inte är möjliga utan vare sig hög energianvändning eller kryogen kylning."
"Det är ingen idé att utveckla "lågenergi"-elektronik som förbrukar mer energi för att få dem att fungera!" säger Dr Bhattacharyya, som är forskare vid FLEET, söker en ny generation lågenergielektronik.
Dock, en "cocktail" av topologisk fysik och magnetism kan göra det möjligt att uppnå en liknande effekt, den kvantanomala Hall-effekten, där liknande kanttillstånd uppträder utan att externt magnetfält appliceras.
Flera strategier har följts för att inducera magnetism i topologiska isolatorer:
"I vår recension, vi fokuserade på den senaste vetenskapliga forskningen om heterostrukturer på det tredje tillvägagångssättet, " säger medförfattaren Dr. Golrokh Akhgar (FLEET/Monash). Dvs. en enda struktur som innehåller tunnfilmsskikt av topologiska isolatorer och magnetiska material intill varandra, tillåter den topologiska isolatorn att låna magnetiska egenskaper från sin granne.
När de två ytorna på topologiska isolatorer magnetiseras parallellt med varandra, ett energigap öppnar sig på ytorna för att göra dem isolerande, men kanterna stödjer motståndslösa ledande tillstånd som kan fungera som en elektronmotorväg. Kredit:Monash University School of Physics and Astronomy
Detta tillvägagångssätt gör det möjligt för forskare att ställa in varje typ av material, till exempel att öka den kritiska temperaturen för det magnetiska materialet, och öka bandgapet, och minska defekttillstånden, i topologiska material.
"Vi tror att detta tillvägagångssätt för att inducera magnetism i topologiska isolatorer är det mest lovande för framtida genombrott, eftersom magnetismen och topologin kan ställas in individuellt i två olika material, och därigenom optimera båda till vår fördel, säger medförfattaren Matt Gebert (FLEET/Monash).
En annan viktig egenskap hos denna heterostruktur är att den inducerade magnetismen endast beror på de magnetiska momenten i det närmaste planet inuti det magnetiska materialet, därför behöver de magnetiska materialen inte vara ferromagneter - ferrimagneter, eller antiferromagneter kan också användas. Detta ökar antalet magnetiska kandidatmaterial, möjliggör val av material med magnetism vid högre temperaturer, för drift närmare rumstemperatur.
"Detta är ett spännande nytt forskningsfält, " säger motsvarande författare professor Michael Fuhrer, även vid Monash University.
Utbytseffekt:En av vägarna till magnetisk ordning i topologiska isolatorer är en direkt utbyte vid gränsen för de två materialen. Kredit:Monash University School of Physics and Astronomy
"Framsteg sker extremt snabbt, och vi kände att det var dags för en recensionsartikel som sammanfattar de senaste prestationerna, och beskriver en framtida färdplan för detta område, " säger Prof Fuhrer, som är chef för FLEET.
Denna recension ger all information som behövs för att introducera nya forskare till området. Den förklarar de konceptuella idéerna bakom mekanismerna för magnetisk närhetseffekt i topologiska isolatorer, introducerar materialsystemen som har utforskats och de olika framväxande fenomen som har upptäckts, och skisserar en framtida färdplan för att öka temperaturen och innovativa tillämpningar.
Magnetisk förlängning:Yttillståndet för den topologiska isolatorn sträcker sig in i den närliggande ferromagnetiska isolatorn, interagerar med magnetiska moment via stark utbytesinteraktion för att producera ett större utbytesbandgap och starkare isolerande beteende. Kredit:Monash University School of Physics and Astronomy
"Vi hoppas att andra kommer att finna det en snabb översyn som klargör de viktiga begreppen inom området och de senaste publikationerna, säger Semonti.
"Recent Progress in Proximity Coupling of Magnetism to Topological Insulators" publicerades i Avancerade material i juni 2021.
