Att styra interaktionerna vid gränssnittet mellan en magnetisk/topologisk isolator heterostruktur är en enastående utmaning med konsekvenser för grundläggande vetenskap och teknik. En forskning som leds av ICN2 Atomic Manipulation and Spectroscopy Group och Physics and Engineering of Nanodevices Group, i samarbete med Supramolecular Nanochemistry and Materials Group, CFM-San Sebastián, ETH Zürich, ISM-Trieste och ALBA Synchrotron, har visat att ligander från metallorganiska molekyler kan användas för att skräddarsy egenskaperna hos dessa gränssnitt. Resultaten presenteras i ACS Nano .

En topologisk isolator (TI) är ett material som beter sig som en isolator i dess inre men vars yta innehåller exotiska ledande tillstånd, så att elektroner bara kan röra sig i materialets yta. Den mest speciella egenskapen hos dessa ytelektroner är att deras snurr är låst i rörelseriktningen, så att den kan manipuleras av elektriska strömmar.

Interfacing TIs med ett magnetiskt material kan ge upphov till fenomen som den ströminducerade snurran för att ladda interkonvertering och framväxten av dissipationslösa centrifugeringsströmmar, som kan utnyttjas i nya spintronic -enheter, metrologi eller i elektron-spin-baserade kvantinformationsapplikationer. Dock, denna förening av TI och magnetiskt material till en så kallad heterostruktur är en komplex process som ofta förhindrar kontrollen av de speciella fenomen som beskrivits tidigare. Särskilt, när TI har gränssnitt direkt med metalliska ferromagneter, den starka interaktionen mellan de två materialen leder till oönskade effekter såsom förlust av magnetiska egenskaper eller undertryckande av de topologiska yttillstånden.

Däremot, metallorganiska molekyler, organiska molekyler som är värd för en (magnetisk) metalljon, har tänkts som kandidater för att utveckla magnetiska/TI -heterostrukturer där gränssnittsinteraktioner skräddarsys av den organiska liganden. Detta är exakt vad forskare från ICN2, i samarbete med CFM-San Sebastián, ETH Zürich, ISM-Trieste och ALBA Synchrotron, har visat. Publicerad i ACS Nano , denna forskning har letts av ICREA Prof. Aitor Mugarza, Ledare för Atomic Manipulation and Spectrocopy Group och ICREA Prof. Sergio O. Valenzuela, Ledare för Nanodevices -gruppens fysik och teknik. De har haft samarbetet av ICREA Prof. Daniel Maspoch, Ledare för gruppen Supramolekylär nanokemi och material, som har syntetiserat den metallorganiska molekylen. Den första författaren till verket är tidigare ICN2:s doktorand. student Marc G. Cuxart.

I det här arbetet, forskarna har visat för första gången att det är möjligt att justera gränssnittsinteraktionen utan att släcka molekylspinnet och det topologiska yttillståndet för TI genom att välja lämpliga organiska ligander. Särskilt, de fann att CoTBrPP- och CoPc-monoskikt (metallorganiska molekyler) adsorberade på Bi2Te3 (topologisk isolator) bildar robusta gränssnitt där elektroniska interaktioner kan ställas in utan att störa de inneboende egenskaperna hos varje beståndsdel. Deras slutsatser stöds av strukturella, elektronisk och magnetisk information som härrör från en kombination av specialiserade tekniker (STM, ARPES, XMCD och DFT).