Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology werpen licht op de relatie tussen de magnetische eigenschappen van topologische isolatoren en hun elektronische bandstructuur. Hun experimentele resultaten bieden nieuwe inzichten in recente debatten over de evolutie van de bandstructuur met temperatuur in deze materialen, die ongebruikelijke kwantumverschijnselen vertonen en waarvan wordt verwacht dat ze cruciaal zijn in de elektronica van de volgende generatie, spintronica, en kwantumcomputers.

Topologische isolatoren hebben de bijzondere eigenschap dat ze aan het oppervlak elektrisch geleidend zijn, maar aan de binnenkant isolerend. Deze ogenschijnlijk eenvoudige, unieke eigenschap stelt deze materialen in staat om een ​​overvloed aan exotische kwantumverschijnselen te herbergen die nuttig zouden zijn voor kwantumcomputers, spintronica, en geavanceerde opto-elektronische systemen.

Om enkele van de ongebruikelijke kwantumeigenschappen te ontgrendelen, echter, het is noodzakelijk om magnetisme in topologische isolatoren te induceren. Met andere woorden, er moet een soort 'orde' worden bereikt in hoe elektronen in het materiaal ten opzichte van elkaar worden uitgelijnd. in 2017, een nieuwe methode om deze prestatie te bereiken werd voorgesteld. Genoemd 'magnetische extensie, ' de techniek omvat het inbrengen van een monolaag van een magnetisch materiaal in de bovenste laag van de topologische isolator, waarmee de problemen worden omzeild die worden veroorzaakt door andere beschikbare methoden, zoals doping met magnetische onzuiverheden.

Helaas, het gebruik van magnetische extensie leidde tot complexe vragen en tegenstrijdige antwoorden met betrekking tot de elektronische bandstructuur van de resulterende materialen, die de mogelijke energieniveaus van elektronen dicteert en uiteindelijk de geleidende eigenschappen van het materiaal bepaalt. Van topologische isolatoren is bekend dat ze een zogenaamde Dirac-kegel (DC) vertonen in hun elektronische bandstructuur die lijkt op twee tegenover elkaar liggende kegels. In theorie, de DC is ungapped voor gewone topologische isolatoren, maar wordt onderbroken door het induceren van magnetisme. Echter, de wetenschappelijke gemeenschap is het niet eens over de correlatie tussen de opening tussen de twee kegelpunten en de magnetische eigenschappen van het materiaal experimenteel.

In een recente poging om deze kwestie op te lossen, wetenschappers van meerdere universiteiten en onderzoeksinstituten voerden een gezamenlijke studie uit onder leiding van Assoc Prof Toru Hirahara van Tokyo Tech, Japan. Ze fabriceerden magnetische topologische structuren door Mn en Te op Bi . af te zetten ₂ Te ₃ , een goed bestudeerde topologische isolator. De wetenschappers theoretiseerden dat extra Mn-lagen sterker zouden interageren met Bi ₂ Te ₃ en dat opkomende magnetische eigenschappen kunnen worden toegeschreven aan veranderingen in de DC-gap, zoals Hirahara uitlegt:"We hoopten dat sterke magnetische interacties tussen de lagen zouden leiden tot een situatie waarin de overeenkomst tussen de magnetische eigenschappen en de DC-gap duidelijk was in vergelijking met eerdere studies."

Door de elektronische bandstructuren en foto-emissiekenmerken van de monsters te onderzoeken, ze toonden aan hoe de DC-kloof geleidelijk kleiner wordt naarmate de temperatuur stijgt. Aanvullend, ze analyseerden de atomaire structuur van hun monsters en vonden twee mogelijke configuraties, MnBi ₂ Te ₄ /Bi ₂ Te ₃ en Mn ₄ Bi ₂ Te ₇ /Bi ₂ Te ₃ , waarvan de laatste verantwoordelijk is voor de DC-gap.

Echter, een merkwaardig raadselachtige bevinding was dat de temperatuur waarbij de DC-spleet sluit ruim boven de kritische temperatuur (TC) ligt, waarboven materialen hun permanente magnetische ordening verliezen. Dit staat in schril contrast met eerdere onderzoeken die aangaven dat de DC-opening nog steeds open kan zijn bij een temperatuur hoger dan de TC van het materiaal zonder te sluiten. Op deze nota, Hirahara merkt op:"Onze resultaten laten zien, Voor de eerste keer, dat het verlies van magnetische orde op lange afstand boven de TC en het sluiten van de DC-opening niet gecorreleerd zijn."

Hoewel verdere inspanningen nodig zullen zijn om de relatie tussen de aard van de DC-gap en magnetische eigenschappen te verduidelijken, dit onderzoek is een stap in de goede richting. Hopelijk, een dieper begrip van deze kwantumfenomenen zal ons helpen de kracht van topologische isolatoren te benutten voor elektronica van de volgende generatie en kwantumcomputers.