Een intrinsieke magnetische topologische isolator MNBI ₂ TE ₄ is ontdekt met een grote band gap, waardoor het een veelbelovend materiaalplatform is voor het fabriceren van ultra-low-energy elektronica en het observeren van exotische topologische verschijnselen.

Hosting van zowel magnetisme als topologie, ultradun (slechts enkele nanometers dik) MNBI ₂ TE ₄ bleek een grote bandkloof te hebben in een Quantum Anomalous Hall (QAH) isolerende staat, waar het materiaal van metaal is (bijv. elektrisch geleidend) langs de eendimensionale randen, terwijl het van binnen elektrisch isoleert. De bijna nul weerstand langs de 1D-randen van een QAH-isolator, maken het veelbelovend voor verliesvrije transporttoepassingen en apparaten met ultralage energie.

Geschiedenis van QAH:hoe het gewenste effect te bereiken

Eerder, de weg naar het realiseren van het QAH-effect was om verdunde hoeveelheden magnetische doteermiddelen te introduceren in ultradunne films van 3D-topologische isolatoren.

Echter, verdunde magnetische dotering resulteert in een willekeurige verdeling van magnetische onzuiverheden, veroorzaakt niet-uniforme doping en magnetisatie. Dit onderdrukt in hoge mate de temperatuur waarbij het QAH-effect kan worden waargenomen en beperkt mogelijke toekomstige toepassingen.

Een eenvoudigere optie is om materialen te gebruiken die deze elektronische toestand van materie als een intrinsieke eigenschap hosten.

Onlangs, klassen van atomair dunne kristallen zijn ontstaan, vergelijkbaar met het beroemde grafeen, die intrinsieke magnetische topologische isolatoren zijn (dwz beschikken over zowel magnetisme als topologische bescherming).

Deze materialen hebben het voordeel dat ze minder wanorde en grotere magnetische bandgaten hebben, waardoor robuuste magnetische topologische fasen werken bij hogere temperatuur (d.w.z. dichter bij het uiteindelijke doel van gebruik bij kamertemperatuur).

"In de laboratoria van FLEET aan de Monash University, we groeiden ultradunne films van een intrinsieke magnetische topologische isolator MNBI ₂ TE ₄ en onderzochten hun elektronische bandstructuur, " legt hoofdauteur Dr. Chi Xuan Trang uit.

Let op de kloof:hoe de bandkloof in een magnetische topologische isolator te observeren?

Magnetisme geïntroduceerd in topologische isolatiematerialen breekt tijdomkeringssymmetrie in het materiaal, resulterend in het openen van een opening in de oppervlaktetoestand van de topologische isolator.

"Hoewel we het QAH-effect niet direct kunnen waarnemen met behulp van hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie (ARPES), we kunnen deze techniek gebruiken om de grootte van een bandgap-opening op het oppervlak van MNBI . te onderzoeken ₂ TE ₄ en hoe het evolueert met de temperatuur, " zegt dr. Trang, die een Research Fellow is bij FLEET.

In een intrinsieke magnetische topologische isolator, zoals MNBI ₂ TE ₄ , er is een kritische magnetische ordeningstemperatuur waarbij wordt voorspeld dat het materiaal een topologische faseovergang ondergaat van QAH-isolator naar een paramagnetische topologische isolator.

"Door hoek-opgeloste foto-emissie bij verschillende temperaturen te gebruiken, we konden de band gap meten in MNBI ₂ TE ₄ openen en sluiten om de topologische faseovergang en magnetische aard van de bandgap te bevestigen, ", zegt Qile Li, een FLEET Ph.D.-student en co-hoofdauteur van het onderzoek.

"De bandgaps van ultradunne film MBT kunnen ook veranderen als een functie van dikte, en we zagen dat een enkellaags MNBI ₂ TE ₄ is een brede bandgap 2D ferromagnetische isolator. Een enkele laag MBT als een 2D-ferromagneet kan ook worden gebruikt in nabijheidsmagnetisatie wanneer deze wordt gecombineerd in een heterostructuur met een topologische isolator", zegt Qile Li.

"Door onze experimentele waarnemingen te combineren met berekeningen van de eerste principes van de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT), we kunnen de elektronische structuur en de spleetgrootte van laagafhankelijke MNBI . bevestigen ₂ TE ₄ , " zegt FLEET AI en groepsleider Dr. Mark Edmonds.

Toepassingen van de intrinsieke magnetische topologische isolator MNBI ₂ TE ₄

MNB ₂ TE ₄ heeft potentieel in een aantal klassieke computertoepassingen, zoals in lossless transport en ultra-low energy apparaten. Verder, het zou kunnen worden gekoppeld aan een supergeleider om aanleiding te geven tot chirale Majorana-randtoestanden, die belangrijk zijn voor topologische schema's voor kwantumcomputerapparatuur.

De studie

FLEET researchers used angle-resolved photoemission spectroscopy (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. Nadien, the ultrathin films were grown and characterized using ARPES measurements at the Advanced Light Source (Lawrence Berkeley National Laboratory) in California.