science >> Wetenschap >  >> Fysica

Quantum afwijkend Hall-effect in intrinsieke magnetische topologische isolator

Fabricage van MnBi2Te4 dunne-vlok apparaat. (A) Optisch beeld van representatieve paarlaagse MnBi2Te4-vlokken die op Al2O3-dunne film zijn gekliefd. De MnBi2Te4/Al2O3-stack wordt ondersteund door een PDMS-substraat. Het beeld werd verkregen in de transmissiemodus. Schaalbalk:20 m. (B) Optisch beeld van dezelfde MnBi2Te4/Al2O3-stapel overgebracht naar een 285 nm SiO2/Si-substraat. Taperesten zijn zichtbaar onder de Al2O3-film; het residu heeft geen invloed op de fabricage van het monster en de daaropvolgende metingen. (C) Optisch beeld van een apparaat vervaardigd uit het monster weergegeven in B. Metalen (Cr/Au) contacten met het monster werden thermisch verdampt via een stencilmasker. (D) Optisch beeld van hetzelfde apparaat na het verwijderen van overtollige MnBi2Te4-vlok die aangrenzende elektroden kortsluit met een scherpe punt. Credit: Wetenschap , doi:10.1126/science.aax8156

Niet-triviale bandtopologie kan worden gecombineerd met magnetische orde in een magnetische topologische isolator om exotische toestanden van materie te produceren, zoals quantum abnormale Hall (QAH) isolatoren en axion-isolatoren. Een doel van de fysica van de gecondenseerde materie is om nieuwe materialen met nuttige eigenschappen te vinden en kwantummechanica toe te passen om ze te bestuderen. Het veld heeft natuurkundigen in staat gesteld om het gebruik van magneten voor gegevensopslag op de harde schijf beter te begrijpen, computerschermen en andere technologieën. De recente ontdekking van topologische isolatoren heeft brede belangstelling gewekt en onderzoekers voorspellen dat het samenspel tussen ferromagnetisme en de topologische isolatortoestand een reeks exotische kwantummagnetische verschijnselen kan realiseren die van belang zijn in fundamentele fysica en apparaattoepassingen.

In een nieuw rapport Yujun Deng en een onderzoeksteam van de afdelingen natuurkunde en kwantummateriefysica in China, onderzocht kwantumtransport in een dunne vlok MnBi 2 Te 4 topologische isolator, met intrinsieke magnetische orde. De ferromagnetische lagen antiparallel aan elkaar gekoppeld in het atomair dunne MnBi 2 Te 4 gelaagd van der Waals kristal. Echter, het monster werd ferromagnetisch toen het een oneven aantal zevenvoudige lagen bevatte. Het onderzoeksteam observeerde het nulveld QAH-effect in een monster met vijf zeven lagen bij 1,4 Kelvin. De resultaten vastgesteld MnBi 2 Te 4 als een ideaal platform om exotische topologische fenomenen te verkennen met spontaan gebroken tijdomkeringssymmetrie. Het werk is nu gepubliceerd op Wetenschap .

Topologische materialen bevatten duidelijk topologisch beschermde kwantumtoestanden die robuust zijn tegen lokale problemen. Bijvoorbeeld, in een topologische isolator (TI) zoals bismuttelluride (Bi 2 Te 3 ), de bulkbandtopologie kan het bestaan ​​van tweedimensionale (2-D) oppervlaktetoestanden met gapless Dirac-dispersie garanderen. Door magnetisme te introduceren in de aanvankelijk tijdomkering invariante topologische isolatoren (TI's), wetenschappers kunnen diepgaande veranderingen in hun elektronische structuur veroorzaken. Bijvoorbeeld, om het QAH-effect experimenteel te observeren in met chroom gedoteerde (Bi, sb) 2 Te 3 , natuurkundigen moesten de verhouding van meerdere elementen in een niet-stoichiometrisch materiaal nauwkeurig regelen. Het verfijnen van het materiaal vereiste het verzoenen van tegenstrijdige eisen en daarom onderzoekers moesten het afwijkende Hall-effect alleen nauwkeurig kwantificeren bij temperaturen tot T =2 K, ver onder de Curie-temperatuur en uitwisselingsspleet in het materiaal. Om de rijke topologische fenomenen en hun potentiële toepassingen verder te onderzoeken, onderzoekers moeten intrinsieke magnetische TI's (topologische isolatoren) met een aangeboren magnetische volgorde gebruiken om hun topologische effecten in ongerepte kristallen te bestuderen.

Fabricage en karakterisering van MnBi2Te4-apparaten met een paar lagen. (A) Optisch beeld van enkele laag vlokken van MnBi2Te4 gekliefd op thermisch verdampte Al2O3 dunne film (dikte ~ 70 nm). De MnBi2Te4/Al2O3-stack wordt ondersteund op een PDMS-substraat. De foto is gemaakt in de verzendmodus. Het aantal SL's is gelabeld op geselecteerde vlokken. Schaalbalk:20 m. (B) Doorlaatbaarheid als functie van het aantal SL's. De transmissie (gevulde cirkels) volgt de wet van Beer-Lambert (ononderbroken lijn). (C) Temperatuurafhankelijke monsterweerstand van enkele laag MnBi2Te4. De antiferromagnetische overgang manifesteert zich als een weerstandspiek in de drie-, vier- en vijflaagse monsters (voorbeeld 3a, 4a en 5a, respectievelijk; zie tabel S1). Inzet:gelaagde kristalstructuur van MnBi2Te4 in de antiferromagnetische toestand. De spins van Mn2+ ionen ordenen ferromagnetisch binnen een laag, terwijl aangrenzende lagen antiferromagnetisch koppelen met een out-of-plane magnetokristallijne anisotropie. (D) Ryx van dezelfde drie-, vier-, en vijflaagse MnBi2Te4-monsters getoond in C als een functie van extern magnetisch veld dat loodrecht op het monstervlak wordt aangelegd. Gegevens werden verkregen bij T =1,6 K. Alle gegevenssets waren anti-symmetriseerd om Rxx-component (23) te verwijderen. Het externe magnetische veld draait individuele ferromagnetische SL's om, één SL tegelijk, en polariseert uiteindelijk alle SL's volledig. De magnetische overgangen manifesteren zich als sprongen in Ryx die worden gemarkeerd door gekleurde vinkjes op horizontale assen. Cartoons illustreren de magnetische toestanden bij representatieve magnetische velden (gemarkeerd door open cirkels). SL's met op (neer) magnetisatie worden weergegeven in rood (blauw). Voor de eenvoud, slechts één van de mogelijke configuraties wordt getoond wanneer er degeneraties zijn; we negeren ook magnetische domeinen die in sommige magnetische toestanden aanwezig kunnen zijn. Credit: Wetenschap , doi:10.1126/science.aax8156

In dit werk, Deng et al. onderzocht kwantumtransport in atomair dunne vlokken van intrinsieke magnetische topologische isolator MnBi 2 Te 4. Het materiaal bevatte een gelaagde ternaire tetradymietverbinding met zeven lagen (Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te). De resulterende MnBi 2 Te 4 kristal was intrinsiek magnetisch en het magnetisme was afkomstig van Mn 2+ ionen in het kristal. Ze bestudeerden dunne vlokken MnBi 2 Te 4. om parallelle bulkgeleiding te minimaliseren en gericht op MnBi 2 Te 4 vlokken met een oneven aantal lagen.

Het team begon met MnBi . van hoge kwaliteit 2 Te 4 kristallen gegroeid met behulp van een fluxmethode om atomair dunne MnBi . te verkrijgen 2 Te 4 via Ali 2 O 3 -geassisteerde exfoliatie. Om dit te bereiken, ze hebben Al . thermisch verdampt 2 O 3 dunne film op een vers geprepareerd oppervlak van het bulkkristal, tilde de bulk op met behulp van een thermische release-tape en liet vervolgens de gecombineerde Al . los 2 O 3 /MnBi 2 Te 4 stapel op een stuk transparant polydimethylsiloxaan (PDMS) voor microscopische inspectie. Daarna, ze stempelden de dunne vlokken op een siliciumwafel bedekt met SiO 2 , gevolgd door afzetting van Cr/Au-contacten voor transportmetingen. Het team voltooide het proces in een luchtdichte doos om blootstelling van het monster aan zuurstof (O 2 ) en water (H 2 O) om monsterdegradatie te verminderen. Vervolgens bestudeerden ze uitgebreid de rijke reeks magnetische toestanden voor de weinig gelaagde monsters.

Quantum afwijkend Hall-effect in een vijflaagse MnBi2Te4-vlok. (A en B) Magnetisch veld-afhankelijke Ryx (A) en Rxx (B) verkregen in het vijflaagse monster 5b bij T =1,4 K. Ryx- en Rxx-gegevens die hier worden getoond, zijn anti-symmetrisch en gesymmetriseerd, respectievelijk, om het mengen van de twee componenten (23) te verwijderen. Op en neer bewegingen van het magnetische veld worden weergegeven in rood en blauw, respectievelijk. Ryx bereikt 2 0,97 / u, gelijktijdig met een Rxx van 2 0,061 / h e bij μ0H =0 T. Deze kenmerken zijn ondubbelzinnig bewijs van een nulveld QAH-effect. Extern magnetisch veld polariseert de ferromagnetische SL's afzonderlijk, en de QAH-kwantisatie verder verbetert; Ryx kwantiseert tot 2 0,998/h e onder magnetische velden boven μ0H ~ 2,5 T. (C) Rxx van monster 5b als een functie van het bij verschillende temperaturen verkregen magnetisch veld. Gegevens zijn gesymmetreerd om de Ryx-component te verwijderen. (D) Arrhenius-plot van Rxx als functie van 1/T onder representatieve magnetische velden. Vaste lijnen zijn lijnpassen, waarvan de helling de energiekloof van het thermisch geactiveerde ladingstransport oplevert. (E) Energiekloof als een functie van het magnetische veld dat wordt geëxtraheerd uit het passen van de Arrhenius-plots geïllustreerd in D. Het gearceerde gebied vertegenwoordigt de foutgrens van de energiekloof van de lijnpassingen. Vaste cirkels markeren de representatieve spleetwaarden die zijn verkregen uit de fittingen die worden weergegeven in D. Gekleurde vinkjes op horizontale assen op paneel B, C en E markeren de locatie van magnetische overgangen. Alle gegevens zijn verkregen onder een backgate-bias van Vg =-200 V. Krediet: Wetenschap , doi:10.1126/science.aax8156

Deng et al. waargenomen een goed ontwikkeld QAH-effect bij nul magnetisch veld in een vijflaags MnBi 2 Te 4 van een sterk verbeterde monsterkwaliteit. Ze merkten op dat een extern magnetisch veld de kwantisatie verder verbeterde door de ferromagnetische lagen op één lijn te brengen. De ferromagnetische uitlijning verbeterde ook de robuustheid van het QAH-effect tegen thermische fluctuaties. Bij nul magnetisch veld, ze verkregen een energiekloof die de waarde in magnetisch gedoteerde Ti-dunne films overschreed, hoewel nog steeds veel kleiner dan de verwachte uitwisselingskloof voor MnBi 2 Te 4 .

De energiekloof meette niet direct de bandkloof van de oppervlaktetoestanden in het kristal, maar kenmerkte de minimale energie die nodig is om een ​​elektron van de valentie naar de geleidingsband te exciteren. Bijvoorbeeld, een groot verschil tussen de energiekloof en de voorspelde bandkloof impliceerde verschillende stoornissen in het monster. Als resultaat, er is veel ruimte om de energieschaal van het QAH-effect in ongerepte, hoogwaardige MnBi 2 Te 4 monsters.

Gate-tuned kwantum afwijkend Hall-effect in een vijflaagse MnBi2Te4-vlok. (A) Magnetisch veld-afhankelijke Ryx, verkregen in monster 5b, onder variërende poortvoorspanningen Vg (in stappen van 10 V). Alle gegevens werden verkregen bij T =1,6 K. Krommen zijn anti-symmetriseerd om de Rxx-component te verwijderen. Gekleurde vinkjes op de horizontale as markeren de locatie van magnetische overgangen. (B tot D) Rxx en Ryx als functies van Vg onder drie representatieve magnetische velden, μ0H =0 T, 5 T en 14 T. Een extra plateau van ( ) 2 / 2 R he yx =− ontstaat bij Vg ~ −25 V, vergezeld van een verdwijnende Rxx (paneel D). Hetzelfde plateau is ook zichtbaar in A bij μ0H> 10 T tijdens veldbewegingen onder Vg =−60 V. Dit bewijs wijst op een gekwantiseerde Hall-toestand met een vulfactor v =−2. Alle gegevens werden verkregen in hetzelfde monster 5b, maar Vg-waarden komen niet precies overeen met die in A vanwege hysterese tijdens gate-sweeps. Credit: Wetenschap , doi:10.1126/science.aax8156

Nadat het aangelegde externe magnetische veld het vijflaagse monster volledig had gepolariseerd, de energiekloof nam af met een toenemend magnetisch veld. De QAH-staten evolueerden geleidelijk in de experimentele opstelling en gaven een kijkje in de elektronische structuur van de oppervlaktebanden buiten de bandgap. Deng et al. begreep alle toestanden die in de studie werden waargenomen vanuit een verenigd standpunt. De Hall-metingen in de buurt van nul magnetisch veld leveren een gate-efficiëntie van 5 x 10 . op 10 cm -2 /V, die goed overeenkwam met de efficiëntie die werd geschat op basis van de apparaatgeometrie. Sinds MnBi 2 Te 4 is een gelaagd materiaal, het team verwacht dat de technieken die zijn ontwikkeld voor 2D-materialen toepasbaar zijn op MnBi 2 Te 4 . Op deze manier, Yujun Deng en collega's verwachten dat van der Waals heterostructuren die MnBi . integreren 2 Te 4 met andere magnetische/supergeleidende 2D-materialen zal een vruchtbare grond bieden om exotische topologische kwantumverschijnselen verder te onderzoeken.

© 2020 Wetenschap X Netwerk




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Een gezondheidscentrum voor jonge zalm
  2. Japanse dierentuin rouwt om dood van verliefde pinguïn
  3. Een stap dichter bij gewassen met twee keer de opbrengst
  4. Hoe zal de aarde er over 50 uitzien,
  5. Voorbeelden van een recessief allel
  6. Vergelijk en vergelijk DNA & RNA
  7. Het verlichten van sojabladeren kan de voedselvoorziening stimuleren
  8. Wetenschappers rapporteren chemische basis van de celdelingstimer, een mogelijk doelwit tegen kanker
  9. Ecologische successie: definitie, types, stadia en voorbeelden

Wetenschap