Svepelektronmikroskopbild (vänster) av samarium hexaborid nanotråd bunden till STM, med bilder från ny studie (mitten och höger). Den mellersta bilden är en inzoomad vy som visar ljus-mörk-ljus-ränder som förekommer i antiferromagnetiskt material. Kredit:Tillhandahålls av författare för användning i den här nyhetsartikeln
Oavsett om du tittar ut i rymden eller tittar djupt in i det mikroskopiska riket, finns det alltid mer att se. När det gäller fasta ämnen finns det en värld av atomer och partiklar som kryllar av aktivitet som i slutändan leder till användbara egenskaper som elektrisk ledning, magnetism och isolering.
Ett av de mest kraftfulla verktygen för att se det osedda är ett scanning tunneling mikroskop eller STM för kort. Snarare än en optisk lins kommer dess kraftfulla öga från en elektrisk ström som passerar mellan spetsen på mikroskopet och provmaterialet. Spetsen skannar över provet och producerar en signal som förändras baserat på hur atomer är ordnade i ett givet material. Tillsammans kartlägger skanningarna ytor med subnanometerupplösning, och avslöjar elektroner och enstaka atomers platser.
Nyligen lade ett team av IQUIST-forskare vid University of Illinois Urbana-Champaign en twist till sin STM genom att ersätta spetsen med en nanotråd tillverkad av ett exotiskt material, samariumhexaborid (SmB6 ). De använder nanotråden för att avbilda magnetiska egenskaper i ett tillvägagångssätt som har potentiella fördelar jämfört med andra metoder. Som publicerats i 9 september-numret av Science, deras kombinerade mätningar och beräkningar visade bevis på den ovanliga naturen hos själva nanotråden.
"Lin Jiao, en före detta postdoktor i vår grupp, föreslog idén att den här typen av nanotrådsspets kanske kan ge oss ett ja-nej svar på om ett material var magnetiskt eller inte", sa IQUIST-medlemmen Vidya Madhavan, en fysikprofessor och motsvarande författare på tidningen. "Till vår förvåning visade Anuva Aishwarya, en doktorand i gruppen, att dessa tips kunde ge mycket mer information än så."
I hjärtat av en STM finns en effekt som låter elektroner "tunnel" genom en barriär. Elektroner är fundamentala partiklar som styrs av kvantfysik och kan agera som vågor. Till skillnad från vattenvågor, försvinner elektroner inte nödvändigtvis eller studsar tillbaka helt när de träffar en yta. När de möter en supertunn barriär kan en del av vågen läcka igenom i en process som kallas kvanttunneling. I en STM finns det ett gap mellan spetsen på mikroskopet och provmaterialet. Elektronerna kan tunnla genom detta gap och skapa en elektrisk signal som i sin tur innehåller information om provet.
Förutom laddning har elektroner en egenskap som kallas spin, som kan avbildas som en pil fäst vid elektronen. Vanligtvis kan elektriska strömmar innehålla elektroner med deras spinn pekade i slumpmässiga riktningar. Men forskare kan locka vissa material att bära strömmar med låst rotationsriktning. Till exempel kan fastspinnande (polariserade) strömmar i STM genereras med en kombination av magnetiska spetsar och externa magneter. Tyvärr kan de tillsatta magneterna vara invasiva och kan oavsiktligt påverka provets atomer. I den nya studien tog forskarna ett annat tillvägagångssätt för att skapa spinnpolariserade strömmar.
Istället för att använda en magnetisk spets använde teamet icke-magnetisk SmB6 . För ungefär ett decennium sedan förutspådde forskare att detta material kunde vara en Kondo-topologisk isolator, som borde ha ovanligt stabila spinnpolariserade strömmar utan några extra magneter. Alltså på ytan av SmB6 elektriska strömmar som rör sig till höger bör ha elektroner med spin-up, och vice versa för strömmar till vänster. Strömmarna kan till och med överleva inför oönskade defekter i materialet. Detta är en allmän egenskap hos topologiska isolatorer, men forskare har ställts inför utmaningar att översätta denna ganska exotiska fysik till verkliga teknologiapplikationer. Dessutom försöker forskare fortfarande förstå de olika varianterna av topologiska material. Denna nya studie ger starka bevis för att SmB6 är verkligen en Kondo topologisk isolator och sätter sina speciella strömmar i arbete för att förenkla magnetisk avbildning.
I Madhavans laboratorium använde teamet nanotillverkning för att modifiera STM. Zhuozhen (en undergraduate i gruppen) ledd av Lin, tillbringade hundratals timmar i ett renrum med att utveckla denna procedur. Först använde de en stråle av joner för att hugga av den normala spetsen, som är gjord av volfram. Sedan bäddade de in nanotråden i ett dike som bara är några hundra nanometer brett. Ledningarna var runt 60-100 nanometer i diameter, vilket är ungefär lika stort som vissa virus.
De skannade spetsen över ytan av järntellurid, som är en antiferromagnet. Sådana material har alternerande områden av spin-up och spin-down elektroner, och den totala magnetiseringen upphävs. Detta i motsats till mer bekanta vanliga stavmagneter, som har alla elektronsnurr pekade i en enda riktning. Tidigare STM-bilder med magnetiska spetsar visade ljus-mörk-ljusränder, vilket betyder att provet är antiferromagnetiskt. Teamet samlade in liknande bilder med den nya icke-magnetiska nanotrådsuppsättningen, vilket indikerade att tunnelelektronerna från SmB6 spin-polariserades. När spetsen befann sig över ett område av antiferromagneten med spinn som matchade orienteringen av spinnen av ytströmmen, ökade signalen; annars minskade det. STM kartlade dessa variationer när den skannade över provet och visade tydliga mönster som motsvarar ränderna med alternerande snurr.
För att ytterligare bekräfta att nanotrådssignalerna var relaterade till de ovanliga strömmarna i SmB6 värmde teamet upp experimentet över 10 Kelvin. Vid denna temperatur, SmB6 ska inte längre vara en Kondo topologisk isolator och kommer att förlora sina ytspinnströmmar. Avgörande är att STM inte längre observerade några antiferromagnetiska ränder, även om provets magnetiska ordning överlever vid denna temperatur. De fann att spinnpolariserade strömmar helt enkelt inte fanns i nanotråden över denna temperatur. Teamet utförde en tredje kontroll av de spinnpolariserade strömmarna genom att ändra riktningen för spänningen som applicerades på nanotrådsspetsen. Detta vände riktningen för tunnelströmmen mellan STM:n och provet. STM-bilderna visade att kontrasten i bilderna är inverterad, vilket bara kan ske om tunnelelektronerna har spin-polarisation som vänder när strömmen ändrar riktning. Tillsammans visade dessa bevis den exotiska karaktären hos SmB6 .
"Vi kan byta nanotråden på spetsen till ett annat material, vilket skulle låta oss undersöka andra, potentiellt ovanliga, aspekter av vårt prov", säger Anuva Aishwarya, huvudförfattare och doktorand i fysik i Madhavans grupp. "Jag är väldigt exalterad över det här eftersom det öppnar dörrar till en ny avkänningsteknik i nanoskala!"
Spetsegenskaperna var överraskande repeterbara, sa Madhavan. Teamet kunde till och med exponera nanotrådarna för luft och de klarade sig konsekvent bra i STM. Mycket är fortfarande okänt om SmB6 , men dess robusta prestanda i kombination med mätdata överensstämmer med förutsägelserna om dess topologiska natur.
"Denna teknik är kanske den första riktiga tillämpningen av en topologisk isolator, och anmärkningsvärt nog är det avgörande för att den ska fungera att ursprunget till topologin är från starka många-elektroninteraktioner som förväntas i SmB6 ", sa IQUIST-medlemmen Taylor Hughes, som är professor i fysik och medförfattare till studien.
I framtida studier planerar teamet att modifiera nanotråden för att se om den kan avslöja ännu fler materiella egenskaper. Till exempel är de intresserade av att skapa och upptäcka exotiska partikelliknande enheter som Majorana-fermioner, som länge har föreslagits som grunden för nya kvantberäkningsenheter. + Utforska vidare
