De observerade bandgapen och motsvarande schematisk i 2D ferromagnetisk isolator (vänster) och QAH isolator MNBI 2 TE 4 (höger). Kredit:FLEET
En inneboende magnetisk topologisk isolator MNBI 2 TE 4 har upptäckts med ett stort bandgap, vilket gör det till en lovande materialplattform för att tillverka ultralågenergielektronik och observera exotiska topologiska fenomen.
Värd för både magnetism och topologi, ultratunn (endast flera nanometer i tjocklek) MNBI 2 TE 4 visade sig ha ett stort bandgap i ett Quantum Anomalous Hall (QAH) isolerande tillstånd, där materialet är metalliskt (dvs. elektriskt ledande) längs dess endimensionella kanter, samtidigt som den är elektriskt isolerande i dess inre. Motståndet nästan noll längs 1D-kanterna på en QAH-isolator, gör det lovande för förlustfria transportapplikationer och ultralågenergienheter.
Historia om QAH:hur man uppnår önskad effekt
Tidigare, Vägen mot att förverkliga QAH-effekten var att införa utspädda mängder magnetiska dopämnen i ultratunna filmer av 3D-topologiska isolatorer.
Dock, utspädd magnetisk dopning resulterar i en slumpmässig fördelning av magnetiska föroreningar, orsakar ojämn dopning och magnetisering. Detta undertrycker kraftigt den temperatur vid vilken QAH-effekten kan observeras och begränsar möjliga framtida tillämpningar.
Ett enklare alternativ är att använda material som är värd för detta elektroniska tillstånd av materia som en inneboende egenskap.
Nyligen, klasser av atomärt tunna kristaller har uppstått, liknar den berömda grafenen, som är inneboende magnetiska topologiska isolatorer (dvs. har både magnetism och topologiskt skydd).
Dessa material har fördelen av att ha mindre oordning och större magnetiska bandgap, tillåter robusta magnetiska topologiska faser som arbetar vid högre temperatur (d.v.s. närmare det slutliga målet med rumstemperaturdrift).
"På FLEETs labb vid Monash University, vi odlade ultratunna filmer av en inneboende magnetisk topologisk isolator MNBI 2 TE 4 och undersökte deras elektroniska bandstruktur, " förklarar huvudförfattaren Dr. Chi Xuan Trang.
Tänk på gapet:hur man observerar bandgapet i en magnetisk topologisk isolator
Magnetism som introduceras i topologiska isolatormaterial bryter tids-reverseringssymmetri i materialet, vilket resulterar i att ett gap i yttillståndet för den topologiska isolatorn öppnas.
Att observera fasövergången från QAH-isolatorfas (vänster) till paramagnetisk gapfri TI-fas (höger), när den överstiger den magnetiska beställningstemperaturen. Kredit:FLEET
"Även om vi inte direkt kan observera QAH-effekten med hjälp av vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (ARPES), vi kan använda denna teknik för att undersöka storleken på en bandgapöppning på ytan av MNBI 2 TE 4 och hur det utvecklas med temperaturen, " säger Dr Trang, som är forskare vid FLEET.
I en inneboende magnetisk topologisk isolator, såsom MNBI 2 TE 4 , det finns en kritisk magnetisk ordningstemperatur där materialet förutsägs genomgå en topologisk fasövergång från QAH-isolator till en paramagnetisk topologisk isolator.
"Genom att använda vinkelupplöst fotoemission vid olika temperaturer, vi kunde mäta bandgapet i MNBI 2 TE 4 öppning och stängning för att bekräfta den topologiska fasövergången och magnetiska karaktären hos bandgapet, säger Qile Li, doktorand i FLEET och medförfattare till studien.
"Bandgapen för ultratunn film MBT kan också ändras som en funktion av tjockleken, och vi observerade att ett enda lager MNBI 2 TE 4 är en 2D ferromagnetisk isolator med brett bandgap. Ett enda lager av MBT som en 2D-ferromagnet kan också användas i närhetsmagnetisering när det kombineras i en heterostruktur med en topologisk isolator." säger Qile Li.
"Genom att kombinera våra experimentella observationer med beräkningar av densitetsfunktionsteori (DFT) med de första principerna, vi kan bekräfta den elektroniska strukturen och gapstorleken för lagerberoende MNBI 2 TE 4 , " säger FLEET AI och gruppledaren Dr Mark Edmonds.
Tillämpningar av den inre magnetiska topologiska isolatorn MNBI 2 TE 4
MNBI 2 TE 4 har potential i ett antal klassiska datortillämpningar, såsom i förlustfria transporter och ultralågenergienheter. Vidare, den skulle kunna kopplas till en supraledare för att ge upphov till chirala Majorana-kanttillstånd, som är viktiga för topologiska kvantberäkningsanordningar.
Studien
FLEET-forskare använde vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (ARPES), and density functional theory (DFT) calculations to study the electronic state and band structure of MNBI 2 TE 4 .
Crossover from 2D Ferromagnetic Insulator to Wide Band Gap Quantum Anomalous Hall Insulator in Ultrathin MNBI 2 TE 4 was published in August 2021 in ACS Nano.
Ultrathin MNBI 2 TE 4 film's recipe in this study was initially found in Edmonds Electronic Structure laboratory at Monash University. Efteråt, the ultrathin films were grown and characterized using ARPES measurements at the Advanced Light Source (Lawrence Berkeley National Laboratory) in California.
