L’histoire d’un isolateur topologique magnétique intrinsèque


topologique-magnetique-intrinseque.jpg" alt="Elektronen am Rand: die Geschichte eines intrinsischen magnetischen topologischen Isolators" title="Les bandes interdites observées et le schéma correspondant dans l'isolateur ferromagnétique 2D (à gauche) et l'isolateur QAH MNBI2TE4e (À droite). Crédit photo : FLEET « largeur = » 800  » hauteur = » 530″/>

Les bandes interdites observées et le schéma correspondant dans l’isolateur ferromagnétique 2D (à gauche) et l’isolateur QAH MNBI2TE4e (À droite). Crédit d’ : FLOTTE

Un isolateur topologique magnétique intrinsèque MNBI2TE4e a été découvert avec une large bande interdite, ce qui en fait une plate-forme matérielle prometteuse pour la fabrication d’électronique à très basse énergie et l’observation de phénomènes topologiques exotiques.

Accueille à la fois le magnétisme et la topologie, ultra-mince (seulement quelques nanomètres d’épaisseur) MNBI2TE4e Il a été constaté qu’une large bande interdite se présentait dans un état isolant de Quantum Anomalous Hall (QAH), dans lequel le matériau est métallique (c’est-à-dire électriquement conducteur) le long de ses bords unidimensionnels, tandis qu’à l’intérieur il est électriquement isolant. La résistance proche de zéro le long des bords 1D d’un isolateur QAH le rend prometteur pour les applications de transport sans perte et les dispositifs à consommation d’énergie extrêmement faible.

Histoire du QAH : Comment obtenir l’effet désiré

Jusqu’à présent, la façon de réaliser l’effet QAH a été d’introduire des quantités diluées de dopants magnétiques dans des films ultra-minces d’isolants 3D topologiques.

Cependant, le dopage magnétique dilué entraîne une distribution aléatoire des impuretés magnétiques, provoquant un dopage et une magnétisation inégaux. Cela supprime considérablement la température à laquelle l’effet QAH peut être observé et limite les applications futures possibles.

Une option plus simple consiste à utiliser des matériaux qui abritent cet état physique électronique en tant que propriété intrinsèque.

Récemment, des classes de cristaux atomiquement minces, similaires au célèbre graphe, sont apparues qui sont des isolants topologiques magnétiques intrinsèques (c’est-à-dire possédant à la fois un magnétisme et une protection topologique).

Ces matériaux ont l’avantage d’avoir moins de désordre et des bandes interdites magnétiques plus grandes, ce qui permet des phases topologiques magnétiques robustes qui fonctionnent à des températures plus élevées (c’est-à-dire plus proches de l’objectif ultime de fonctionnement à température ambiante).

« Dans les laboratoires de FLEET à l’Université Monash, nous avons développé des films ultra-minces d’un isolateur topologique magnétique intrinsèque MNBI2TE4e et examiné la structure de leur bande électronique », explique le premier auteur, le Dr Chi Xuan Trang.

Remarquez l’écart : comment observer l’écart de bande dans un isolateur topologique magnétique

Le magnétisme introduit dans les matériaux isolants topologiques brise la symétrie d’inversion temporelle dans le matériau, ce qui entraîne l’ouverture d’un vide dans l’état de de l’isolant topologique.

Électrons sur le bord : l'histoire d'un isolant topologique magnétique intrinsèque

Observation de la transition de de la phase isolante QAH (gauche) à la phase TI transparente paramagnétique (droite) au-dessus de la température d’ordre magnétique. Crédit d’image : FLOTTE

« Bien que nous ne puissions pas observer directement l’effet QAH avec la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES), nous pouvons utiliser cette technique pour déterminer la taille d’une ouverture de bande interdite à la surface du MNBI. enquêter2TE4e et comment il se développe avec la température », explique le Dr Trang, chercheur à FLEET.

Dans un isolateur topologique magnétique intrinsèque comme MNBI2TE4e, il existe une température d’ordre magnétique critique à laquelle le matériau devrait subir une transition de phase topologique d’un isolant QAH à un isolant topologique paramagnétique.

« En utilisant la photoémission à résolution angulaire à différentes températures, nous avons pu fermer la bande interdite dans le MNBI. être à la hauteur2TE4e ouvrir et fermer pour confirmer la transition de phase topologique et la nature magnétique de la bande interdite », explique Qile Li, doctorant à FLEET et co-auteur principal de l’étude.

« Les bandes interdites du MBT à couche ultra-mince peuvent également changer en fonction de l’épaisseur, et nous avons observé qu’un MNBI monocouche2TE4e est un isolant ferromagnétique 2D à large bande interdite. Une seule couche de MBT en tant que ferromagnétique 2D pourrait également être utilisée en magnétisation de proximité lorsqu’elle est combinée dans une hétérostructure avec un isolant topologique », explique Qile Li.

« En combinant nos observations expérimentales avec les premiers calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), nous pouvons confirmer la structure électronique et la taille de l’espacement du MNBI dépendant de la couche.2TE4e« , déclare FLEET AI et le chef de groupe Dr. Marc Edmonds.

Applications de l’isolateur topologique magnétique intrinsèque MNBI2TE4e

MNBI2TE4e a un potentiel dans un certain nombre d’applications informatiques classiques, telles que le transport sans perte et les dispositifs à très faible consommation d’énergie. De plus, il pourrait être couplé à un supraconducteur pour créer des états de de Majorana chiraux, qui sont importants pour les systèmes informatiques quantiques topologiques.

L’étude

Les chercheurs de FLEET ont utilisé des calculs de spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES) et de théorie fonctionnelle de la densité (DFT) pour déterminer l’état électronique et la structure de bande du MNBI. enquêter2TE4e.

Transition d’un isolant ferromagnétique 2D à un isolant Hall anormal quantique avec une large bande interdite dans un MNBI ultra-mince2TE4e paru en août 2021 dans ACS nano.

MNBI ultra fin2TE4e La recette du film de cette étude a été trouvée à l’origine au Edmonds Electronic Structure Laboratory de l’Université Monash. Les films ultra-minces ont ensuite été cultivés et caractérisés avec des mesures ARPES à l’Advanced Light Source (Lawrence Berkeley National Laboratory) en Californie.


Combinaison d’isolants topologiques avec des matériaux magnétiques pour une électronique économe en énergie


Plus d’information:
Chi Xuan Trang et al., Transition de l’isolant ferromagnétique 2D à l’isolant à effet Hall anomal quantique à large bande Gap dans un MNBI ultra-mince2TE4e, ACS Nano (2021). DOI : 10.1021 / acsnano.1c03936

Citation: Electrons on the Edge: The Story of an Intrinsic Magnetic Topological Insulator (2021, 21 septembre), consulté le 21 septembre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-09-electrons-edge-story-intrinsic- magnétique .html

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