Een nieuwe Monash-review werpt de schijnwerpers op recent onderzoek naar heterostructuren van topologische isolatoren en magnetische materialen.

In dergelijke heterostructuren, het interessante samenspel van magnetisme en topologie kan aanleiding geven tot nieuwe fenomenen zoals kwantum afwijkende Hall-isolatoren, axion-isolatoren en skyrmionen. Dit zijn stuk voor stuk veelbelovende bouwstenen voor toekomstige elektronica met een laag vermogen.

Mits geschikt kandidaat-materiaal wordt gevonden, er is een mogelijkheid om deze exotische toestanden bij kamertemperatuur en zonder magnetisch veld te realiseren, vandaar het helpen van FLEET's zoektocht naar toekomstige energiezuinige, buiten-CMOS-elektronica.

De juiste mix van topologie en magnetisme vinden

"Ons doel was om veelbelovende nieuwe methoden te onderzoeken om het kwantum Hall-effect te bereiken, " zegt de hoofdauteur van de nieuwe studie, Dr. Semonti Bhattacharyya aan de Monash University.

Het kwantum Hall-effect (QHE) is een topologisch fenomeen dat ervoor zorgt dat elektronen met hoge snelheid langs de rand van een materiaal kunnen stromen. die potentieel nuttig is voor toekomstige energiezuinige elektronica en spintronica.

"Echter, een ernstig knelpunt voor het nut van deze technologie is het feit dat het quantum Hall-effect altijd hoge magnetische velden vereist, die niet mogelijk zijn zonder een hoog energieverbruik of cryogene koeling."

"Het heeft geen zin om 'low energy' elektronica te ontwikkelen die meer energie verbruikt om ze te laten werken!" zegt dr. Bhattacharyya, die een Research Fellow is bij FLEET, op zoek naar een nieuwe generatie energiezuinige elektronica.

Echter, een 'cocktail' van topologische fysica en magnetisme kan het mogelijk maken om een ​​soortgelijk effect te bereiken, het kwantum afwijkende Hall-effect, waar vergelijkbare randtoestanden verschijnen zonder een extern magnetisch veld toe te passen.

Er zijn verschillende strategieën gevolgd om magnetisme in topologische isolatoren te induceren:

1. door magnetische onzuiverheid op te nemen,
2. door intrinsiek magnetische topologische isolatoren te gebruiken
3. door magnetisme te induceren door een nabijheidseffect in topologische isolator-magnetische isolator heterostructuren.

"In onze recensie we concentreerden ons op het recente wetenschappelijke onderzoek naar heterostructuren op de derde benadering, " zegt co-auteur Dr. Golrokh Akhgar (FLEET/Monash). Dwz, een enkele structuur met dunne-filmlagen van topologische isolatoren en magnetische materialen naast elkaar, waardoor de topologische isolator magnetische eigenschappen van zijn buurman kan lenen.

Met deze aanpak kunnen onderzoekers elk type materiaal afstemmen, bijvoorbeeld het verhogen van de kritische temperatuur voor het magnetische materiaal, en het vergroten van de bandgap, en het verminderen van de defecttoestanden, in topologische materialen.

"We denken dat deze benadering voor het induceren van magnetisme in topologische isolatoren de meest veelbelovende is voor toekomstige doorbraken, omdat het magnetisme en de topologie individueel kunnen worden afgestemd in twee verschillende materialen, waardoor we beide in ons voordeel optimaliseren, " zegt co-auteur Matt Gebert (FLEET/Monash).

Een ander belangrijk kenmerk van deze heterostructuur is dat het geïnduceerde magnetisme alleen afhangt van de magnetische momenten van het dichtstbijzijnde vlak binnen het magnetische materiaal, daarom hoeven de magnetische materialen geen ferromagneten te zijn - ferrimagneten, of antiferromagneten kunnen ook worden gebruikt. Dit verhoogt het aantal kandidaat magnetische materialen, waardoor materiaalkeuze met magnetisme bij hogere temperaturen mogelijk is, voor werking dichter bij kamertemperatuur.

"Dit is een opwindend nieuw onderzoeksgebied, " zegt corresponderend auteur Prof Michael Fuhrer, ook aan de Monash University.

"De vooruitgang gaat extreem snel, en we vonden dat het tijd was voor een overzichtsartikel waarin de recente prestaties worden samengevat, en het schetsen van een toekomstige routekaart op dit gebied, " zegt prof Führer, die directeur is van FLEET.

Deze review biedt alle informatie die nodig is om nieuwe onderzoekers kennis te laten maken met het veld. Het verklaart de conceptuele ideeën achter de mechanismen van het magnetische nabijheidseffect in topologische isolatoren, introduceert de materiaalsystemen die zijn onderzocht en de verschillende opkomende fenomenen die zijn gedetecteerd, en schetst een toekomstige routekaart naar temperatuurverhoging en innovatieve toepassingen.

"We hopen dat anderen het een tijdige recensie zullen vinden die de belangrijke concepten van het veld en recente publicaties verduidelijkt, ' zegt Semonti.

"Recente vooruitgang in nabijheidskoppeling van magnetisme aan topologische isolatoren" werd gepubliceerd in Geavanceerde materialen in juni 2021.