Heterostructuren met magnetisme en topologie (geometrie) zijn veelbelovende materialen om exotische topologische kwantumtoestanden te realiseren. Echter, dergelijke materialen zijn een uitdaging om te engineeren of te synthetiseren. In een nieuw verslag over wetenschappelijke vooruitgang , Jiazhen Wu en een interdisciplinair onderzoeksteam in de afdelingen Materiaalonderzoek, Opto-elektronische wetenschap, Natuurkunde, Onderzoek naar gecondenseerde materie en geavanceerde materialen in Japan en China, rapporteerde de ontwikkeling van natuurlijke magnetische van der Waals heterostructuren. De constructies vertoonden controleerbare magnetische eigenschappen terwijl ze hun topologische oppervlaktetoestanden behielden.

Tijdens het proces, de materiaalwetenschappers en natuurkundigen verzwakten geleidelijk de tussenlaagse antiferromagnetische uitwisselingskoppeling terwijl ze de magnetische laagscheiding verhoogden om een ​​abnormaal Hall-effect waar te nemen. Bij een temperatuur onder de 5K, het fenomeen was goed gekoppeld aan magnetisatie om ferromagnetische hysterese te veroorzaken, d.w.z. het toepassen van een extern magnetisch veld op een ferromagneet waardoor de uitlijning van zijn atomaire dipolen wordt veroorzaakt. De onderzoekers willen de homogene heterostructuren met atomair scherpe interfaces en intrinsieke magnetische eigenschappen gebruiken om exotische fenomenen te bestuderen, zoals het kwantum afwijkende Hall-effect, axion-isolatortoestanden en topologische magneto-elektrische effecten (de inductie van magnetisatie door een elektrisch veld en de inductie van elektrische polarisatie door een magnetisch veld).

In de fysica van de gecondenseerde materie, magnetische heterostructuren hebben veel aandacht getrokken om nieuwe toepassingen te vormen in de zich ontwikkelende gebieden van spintronica en topotronica (nano-elektronica op basis van topologische structuren). Bijvoorbeeld, gevestigde afzettingstechnieken die de groei van dunne films ondersteunen, waaronder moleculaire bundelepitaxie, gepulseerde laserafzetting en sputteren hebben het veld versneld om unieke eigenschappen zoals gigantische magnetoweerstand mogelijk te maken. Bijvoorbeeld, tunneling magnetoweerstand had eerder aangetoond kern technische mogelijkheden voor digitale informatie-opslag. Echter, onderzoeksontwikkelingen van magnetische heterostructuren blijven beperkt vanwege bijbehorende depositietechnieken, het belemmeren van brede studies van unieke materiaalsystemen. Hoe dan ook, onderzoekers hebben onlangs de overdrachtsmethode gebruikt om van der Waals-heterostructuren ingewikkeld te maken met geavanceerde technieken.

Onderzoekers hadden onlangs ook heterostructuren ontwikkeld in combinatie met magnetische lagen en topologische isolatorlagen (TI) om exotische topologische kwantumtoestanden te vormen. Maar de ontwikkeling van een ideaal platform om kwantumeffecten te bestuderen met behulp van een homogene heterostructuur met atomair scherpe interfaces en intrinsieke magnetische eigenschappen blijft experimenteel ongrijpbaar. In dit werk, Wu et al. gerapporteerde natuurlijk voorkomende van der Waals heterostructuren (MnBi ₂ Te ₄ ) _m (Bi ₂ Te ₃ ) _m met regelbare magnetische eigenschappen en topologische oppervlaktetoestanden (SS's). Ze bereidden enkele kristallen met behulp van de fluxmethode (methode van kristalgroei) en identificeerden varianten van de moleculen met behulp van röntgendiffractie (XRD) metingen en scanning transmissie-elektronenmicroscopie (STEM). Toen het onderzoeksteam geleidelijk de tussenlaagse antiferromagnetische (AFM) uitwisselingsinteracties verzwakte, de materialen omgezet in een magnetische orde concurrerend systeem met een ferromagnetische (FM) toestand gestabiliseerd onder 5K.

Omdat de magnetisatie een gemakkelijke as had die buiten het vlak lag, de onderzoekers observeerden een abnormaal Hall (AH) -effect - goed gekoppeld aan magnetisatie. Ze onderzochten de niet-triviale elektronische structuren van MnBi ₄ Te ₇ in de bulk en het oppervlak met behulp van dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) berekeningen om de antiferromagnetische topologische isolator (AFM TI) eigenschappen te bevestigen. Wu et al. heeft experimenteel de oppervlaktetoestanden gedetecteerd met behulp van hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie (ARPES) -metingen en verwacht dat het nieuwe materiaal een platform zal bieden om uiteenlopende interesses in spintronica en topotronica te onderzoeken.

Bijvoorbeeld, de onlangs gerapporteerde MnBi ₂ Te ₄ synthetische verbinding is een intrinsieke van der Waals antiferromagneet die topologische niet-triviale oppervlaktetoestanden (SS) laat zien. Aangezien de twee van der Waals materialen Bi ₂ Te ₃ en MnBi ₂ Te ₄ vertoonde vergelijkbare roosterbeperkingen, de onderzoekers wilden graag de mogelijkheid testen om natuurlijke heterostructuren te synthetiseren met afwisselend vijfvoudige atoomlagen (QL's) en zevenvoudige atoomlagen (SL's).

Op basis van de veronderstelling, de onderzoekers bereidden polykristallijne monsters ten opzichte van de formulering van (MnBi ₂ Te ₄ ) _m (Bi ₂ Te ₃ ) _N en vormde MnBi ₄ Te ₇ en MnBi ₆ Te ₁₀ met behulp van een vastestofreactieroute. Het onderzoeksteam observeerde de nieuwe heterostructuren met behulp van high-angle ringvormig donkerveld (HAADF) en STEM-metingen. De afbeeldingen met atomaire resolutie waren zeer consistent met de kristalstructuren die eerder waren verkregen met behulp van XRD-metingen en uitgelijnd met het voorgestelde model. Ze bevestigden verder een hoge mate van kristalliniteit van de bereide monsters met behulp van patronen met geselecteerde elektronendiffractie (SAED).

Om de fysieke eigenschappen te testen, Wu et al. groeide toen enkele kristallen van MnBi ₂ Te ₄ en MnBi ₄ Te ₇ met behulp van een flux-ondersteunde methode en vond de synthese moeilijk omdat de fasen zich alleen ontwikkelden bij een zeer smal temperatuurbereik. De wetenschappers toonden MnBi ₄ Te ₇ relatief complexer te zijn vanwege de aanwezigheid van zowel QL als SL (vijfvoudige en zevenvoudige) atomaire lagen. De onderzoekers controleerden het verse oppervlak van de monsters met behulp van Auger-elektronenspectroscopie en röntgenfoto-elektronspectroscopie onder hoog vacuüm en de resultaten gaven aan dat de monsters schoon waren en bevestigden de aanwezigheid van alle voorgestelde elementen (mangaan [Mn], bismut [Bi] en tellurium [Te]).

Om de magnetische structuren te begrijpen, Wu et al. volgende uitgevoerde magnetisatiemetingen van de monokristallijne monsters MnBi ₂ Te ₄ en MnBi ₄ Te ₇ . De twee verbindingen vertoonden contrasterende magnetische structuren. Voor meer inzicht in de elektronische structuur en topologie van MnBi ₄ Te _7, het onderzoeksteam voerde DFT-berekeningen (density functional theory) uit met behulp van de hybride functionele methode, die veel wordt gebruikt om materialen met een kleine bandgap te bestuderen. Het team demonstreerde bandstructuren van de bulk MnBi ₄ Te ₇ verbinding met en zonder spin-orbit-koppeling (SOC).

Daarna, de wetenschappers maten de oppervlaktetoestand van MnBi ₄ Te ₇ met behulp van ARPES (hoek-opgeloste foto-emissie spectroscopie) bij 20 en 300 K met een excitatie foton energie van 48 eV vergelijkbaar met een eerder onderzoek. Vergeleken met de berekende resultaten, ze observeerden dat de gemeten oppervlaktetoestanden voornamelijk werden afgeleid van de SL- (septuple atomaire laag), hoewel ze bijdragen van de QL- (vijfvoudige atoomlaag) niet uitsloten. Om de waarnemingen te verklaren, de wetenschappers overwogen ook de mogelijkheid dat de grootte van het QL/SL-oppervlaktedomein veel kleiner is dan de grootte van de fotonenbundel die wordt gebruikt voor spectroscopische (ARPES) analyse.

Wu et al. waargenomen ferromagnetische spinfluctuaties in MnBi ₄ Te ₇ boven de overgangstemperatuur (T _N ) en schreef ze toe aan de resultaten die binnen de opstelling werden waargenomen. De resultaten leidden echter tot een open vraag die verder onderzoek vereiste. Opmerkelijk, oppervlaktetoestanden van de MnBi ₄ Te ₇ waren complexer dan MnBi ₂ Te ₄ door de oppervlakte-eigenschappen en afstembare magnetische eigenschappen van de magnetische heterostructuren te begrijpen, zullen de onderzoekers idealiter in de toekomst in staat zijn om afstembare gekwantiseerde magneto-elektrische verschijnselen te onderzoeken.

Wu et al. registreerde ook de elektrische eigenschappen van MnBi ₄ Te ₇ enkele kristallen, die met name verschilde van de MnBi ₂ Te ₄ variant. De verbinding had een metallische geleidbaarheid met het Hall-effect met een dragerconcentratie van 2,85 x 10 ²⁰ cm ^-3 bij 2 graden Kelvin. De Hall-weerstand had een lineaire veldafhankelijkheid bij hoge velden om een ​​enkele drager in de verbinding te suggereren. Wu et al. karakteriseerde de afwijkende elektrische transporteigenschappen en magnetische structuren van MnBi ₄ Te ₇ enkele kristallen om de afhankelijkheid van spin-flip-overgangen op magnetoweerstand verder te laten zien.

De bijbehorende elektronen in de verbinding ondergingen een hogere verstrooiingssnelheid bij magnetoweerstandsplateaus (hoge weerstandstoestand) dan bij een lager of hoger magnetisch veld. De wetenschappers constateerden dat dergelijke magnetoweerstandsplateaus niet konden overleven bij hogere temperaturen (> 0,35 K) aangezien thermische activering mogelijk antiferromagnetische toestanden kan vernietigen, waardoor het systeem in een ferromagnetische toestand terechtkomt. belangrijk, de plateaus in abnormale Hall-geleiding leken op axion-isolerende toestanden en daarom, het huidige systeem zou mogelijk ook een platform kunnen vormen om op de juiste wijze afgestemde axion-isolatoren te creëren. Wanneer stroom door de magnetische en niet-magnetische lagen in de opstelling stroomt, de magnetoweerstandseffecten kunnen veel sterker worden, vergelijkbaar met materialen met gigantische magnetoweerstand.

Op deze manier, Jiazhen Wu en collega's vatten de veld- en temperatuurafhankelijke magnetische structuren van MnBi . samen ₄ Te ₇ , met vermelding van de verbinding als een concurrerende magnetische orde systeem. Ter vergelijking, ze hebben deze concurrerende situatie met MnBi . niet waargenomen ₂ Te ₄ . De onderzoekers verwachten dat de concurrerende magnetische volgorde van de verbindingen onontgonnen kwantumtopologische toestanden zal veroorzaken. De experimentele exotische magnetische structuren van de huidige materialen zullen leiden tot fundamentele interesses in magnetisme. Het werk zal ook een nieuw platform bieden voor topotronica om gekwantiseerde magneto-elektronische fenomenen te realiseren. De succesvolle isolatie van de Van der Waals-materialen biedt zowel materiaalwetenschappers als natuurkundigen gloednieuwe mogelijkheden om de wisselwerking tussen magnetisme en topologie binnen tweedimensionale grenzen te bestuderen.

© 2019 Wetenschap X Netwerk