Fabbricazione del dispositivo a scaglie sottili MnBi2Te4. (A) Immagine ottica di fiocchi di MnBi2Te4 a pochi strati rappresentativi spaccati su un film sottile di Al2O3. Lo stack MnBi2Te4/Al2O3 è supportato da un substrato PDMS. L'immagine è stata ottenuta in modalità di trasmissione. Barra della scala:20 μm. (B) Immagine ottica dello stesso stack MnBi2Te4/Al2O3 trasferita su un substrato SiO2/Si da 285 nm. Il residuo del nastro è visibile sotto il film di Al2O3; il residuo non influisce sulla fabbricazione del campione e sulle misurazioni successive. (C) Immagine ottica di un dispositivo fabbricato dal campione mostrato in B. I contatti metallici (Cr/Au) con il campione sono stati evaporati termicamente attraverso una maschera di stencil. (D) Immagine ottica dello stesso dispositivo dopo aver rimosso il fiocco di MnBi2Te4 in eccesso che mette in cortocircuito gli elettrodi adiacenti con una punta acuminata. Credito: Scienza , doi:10.1126/science.aax8156
La topologia a banda non banale può combinarsi con l'ordine magnetico in un isolante topologico magnetico per produrre stati esotici della materia come gli isolanti di Hall anomali quantistici (QAH) e gli isolanti di assioni. Uno scopo della fisica della materia condensata è trovare nuovi materiali con proprietà utili e applicare la meccanica quantistica per studiarli. Il campo ha permesso ai fisici di comprendere meglio gli usi dei magneti per l'archiviazione dei dati su hard disk, schermi di computer e altre tecnologie. La recente scoperta di isolanti topologici ha suscitato un ampio interesse e i ricercatori prevedono che l'interazione tra il ferromagnetismo e lo stato dell'isolante topologico può realizzare una serie di fenomeni magnetici quantistici esotici di interesse nella fisica fondamentale e nelle applicazioni dei dispositivi.
In un nuovo rapporto, Yujun Deng e un gruppo di ricerca presso i dipartimenti di fisica e fisica della materia quantistica in Cina, trasporto quantistico sondato in un sottile fiocco MnBi 2 Te 4 isolante topologico, con ordine magnetico intrinseco. Gli strati ferromagnetici accoppiati in modo antiparallelo tra loro nel sottile MnBi . atomicamente 2 Te 4 cristallo van der Waals stratificato. Però, il campione diventa ferromagnetico quando contiene un numero dispari di sette strati. Il team di ricerca ha osservato l'effetto QAH a campo zero in un campione a cinque strati a 1,4 Kelvin. I risultati stabiliti MnBi 2 Te 4 come piattaforma ideale per esplorare fenomeni topologici esotici con simmetria di inversione temporale rotta spontaneamente. L'opera è ora pubblicata su Scienza .
I materiali topologici contengono distintamente stati quantistici topologicamente protetti che sono robusti contro le difficoltà locali. Ad esempio, in un isolante topologico (TI) come il tellururo di bismuto (Bi 2 Te 3 ), la topologia bulk band può garantire l'esistenza di stati superficiali bidimensionali (2-D) con dispersione di Dirac gapless. Introducendo il magnetismo negli isolanti topologici invarianti (TI) inizialmente ad inversione temporale, gli scienziati possono indurre profondi cambiamenti nella loro struttura elettronica. Per esempio, per osservare sperimentalmente l'effetto QAH in cromo drogato (Bi, Sb) 2 Te 3 , i fisici dovevano controllare con precisione il rapporto di più elementi in un materiale non stechiometrico. La messa a punto del materiale ha richiesto la riconciliazione di esigenze contrastanti e quindi, i ricercatori hanno dovuto quantificare con precisione l'effetto Hall anomalo solo a temperature fino a T =2 K, molto al di sotto della temperatura di Curie e spazio di scambio nel materiale. Per esplorare ulteriormente i ricchi fenomeni topologici e le loro potenziali applicazioni, i ricercatori devono utilizzare TI magnetici intrinseci (isolatori topologici) con un ordine magnetico innato per studiare i loro effetti topologici nei cristalli incontaminati.
Fabbricazione e caratterizzazione di dispositivi MnBi2Te4 a pochi strati. (A) Immagine ottica di fiocchi a pochi strati di MnBi2Te4 spaccati su film sottile Al2O3 evaporato termicamente (spessore ~ 70 nm). Lo stack MnBi2Te4/Al2O3 è supportato su un substrato PDMS. L'immagine è stata scattata in modalità di trasmissione. Il numero di SL è etichettato su fiocchi selezionati. Barra della scala:20 μm. (B) Trasmittanza in funzione del numero di SL. La trasmittanza (cerchi pieni) segue la legge di Beer-Lambert (linea continua). (C) Resistenza del campione dipendente dalla temperatura di MnBi2Te4 a pochi strati. La transizione antiferromagnetica si manifesta come un picco di resistenza nei tre, campioni a quattro e cinque strati (campione 3a, 4a e 5a, rispettivamente; vedi tabella S1). Riquadro:struttura cristallina stratificata di MnBi2Te4 allo stato antiferromagnetico. Gli spin degli ioni Mn2+ si ordinano ferromagneticamente all'interno di uno strato, mentre gli strati vicini si accoppiano antiferromagneticamente con un'anisotropia magnetocristallina fuori piano. (D) Ryx degli stessi tre-, quattro-, e campioni di MnBi2Te4 a cinque strati mostrati in C in funzione del campo magnetico esterno applicato perpendicolarmente al piano del campione. I dati sono stati ottenuti a T =1,6 K. Tutti i set di dati sono stati antisimmetrici per rimuovere il componente Rxx (23). Il campo magnetico esterno ribalta i singoli SL ferromagnetici, una SL alla volta, e alla fine polarizza completamente tutte le SL. Le transizioni magnetiche si manifestano come salti in Ryx che sono contrassegnati da segni di spunta colorati sugli assi orizzontali. I cartoni illustrano gli stati magnetici in corrispondenza di campi magnetici rappresentativi (contrassegnati da cerchi aperti). Gli SL con magnetizzazione su (giù) sono mostrati in rosso (blu). Per semplicità, solo una delle possibili configurazioni viene mostrata in presenza di degenerazioni; ignoriamo anche i domini magnetici che possono essere presenti in alcuni degli stati magnetici. Credito: Scienza , doi:10.1126/science.aax8156
In questo lavoro, Deng et al. trasporto quantistico sondato in scaglie atomicamente sottili di isolante topologico magnetico intrinseco MnBi 2 Te 4. Il materiale conteneva un composto di tetradimite ternario stratificato contenente sette strati (Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te). Il MnBi . risultante 2 Te 4 il cristallo era intrinsecamente magnetico e il magnetismo ebbe origine da Mn 2+ ioni nel cristallo. Hanno studiato scaglie sottili di MnBi 2 Te 4. per ridurre al minimo la conduzione di massa parallela e focalizzata su MnBi 2 Te 4 fiocchi contenenti un numero dispari di strati.
Il team ha iniziato con MnBi . di alta qualità 2 Te 4 cristalli cresciuti utilizzando un metodo di flusso per ottenere MnBi . atomicamente sottile 2 Te 4 via Al 2 oh 3 -esfoliazione assistita. Per realizzare questo, hanno evaporato termicamente Al 2 oh 3 pellicola sottile su una superficie appena preparata del cristallo sfuso, ha sollevato la massa utilizzando un nastro a rilascio termico, quindi ha rilasciato l'Al . combinato 2 oh 3 /MnBi 2 Te 4 impilare su un pezzo di polidimetilsilossano trasparente (PDMS) per l'ispezione microscopica. Successivamente, hanno stampato i fiocchi sottili su un wafer di silicio ricoperto di SiO 2 , seguita dalla deposizione di contatti Cr/Au per misurazioni di trasporto. Il team ha completato il processo in una scatola ermetica per prevenire l'esposizione del campione all'ossigeno (O 2 ) e acqua (H 2 O) per mitigare la degradazione del campione. Hanno quindi studiato a fondo il ricco insieme di stati magnetici per i campioni a pochi strati.
Effetto Hall anomalo quantistico in un fiocco di MnBi2Te4 a cinque strati. (A e B) Ryx (A) e Rxx (B) dipendenti dal campo magnetico acquisiti nel campione 5b a cinque strati a T =1,4 K. I dati Ryx e Rxx mostrati qui sono anti-simmetrizzati e simmetrizzati, rispettivamente, per eliminare la miscelazione dei due componenti (23). Le scansioni su e giù del campo magnetico sono mostrate in rosso e blu, rispettivamente. Ryx raggiunge 2 0,97 / h e , concomitante con un Rxx di 2 0,061 / h e a μ0H =0 T. Queste caratteristiche sono prove inequivocabili dell'effetto QAH a campo zero. Il campo magnetico esterno polarizza individualmente gli SL ferromagnetici, e migliora ulteriormente la quantizzazione QAH; Ryx quantizza a 2 0,998/h e sotto campi magnetici superiori a μ0H ~ 2,5 T. (C) Rxx del Campione 5b in funzione del campo magnetico acquisito a varie temperature. I dati sono simmetrizzati per rimuovere il componente Ryx. (D) Grafico di Arrhenius di Rxx in funzione di 1/T sotto campi magnetici rappresentativi. Le linee continue sono adattamenti di linea, la cui pendenza produce il gap energetico del trasporto di carica attivato termicamente. (E) Gap energetico in funzione del campo magnetico estratto dall'adattamento dei grafici di Arrhenius esemplificati in D. La regione ombreggiata rappresenta il limite di errore del gap energetico dagli adattamenti di linea. I cerchi pieni evidenziano i valori di gap rappresentativi ottenuti dai raccordi mostrati in D. Tacche colorate sugli assi orizzontali sul pannello B, C ed E indicano la posizione delle transizioni magnetiche. Tutti i dati sono stati ottenuti con un bias backgate di Vg =-200 V. Credito: Scienza , doi:10.1126/science.aax8156
Deng et al. osservato un effetto QAH ben sviluppato a campo magnetico zero in un MnBi . a cinque strati 2 Te 4 di una qualità del campione molto migliorata. Hanno notato che un campo magnetico esterno ha ulteriormente migliorato la quantizzazione allineando gli strati ferromagnetici. L'allineamento ferromagnetico ha anche migliorato la robustezza dell'effetto QAH contro le fluttuazioni termiche. A campo magnetico nullo, hanno ottenuto un gap energetico che ha superato il valore nei film sottili di Ti drogati magneticamente, anche se ancora molto inferiore al gap di cambio previsto per MnBi 2 Te 4 .
Il gap energetico non misurava direttamente il bandgap degli stati superficiali nel cristallo, ma caratterizzato l'energia minima richiesta per eccitare un elettrone dalla valenza alla banda di conduzione. Ad esempio, una grande differenza tra il gap energetico e il bandgap previsto implicava vari disturbi nel campione. Di conseguenza, c'è molto spazio per aumentare ulteriormente la scala energetica dell'effetto QAH in condizioni incontaminate, MnBi . di alta qualità 2 Te 4 campioni.
Effetto Hall anomalo quantistico sintonizzato sul gate in un fiocco di MnBi2Te4 a cinque strati. (A) Ryx dipendente dal campo magnetico, acquisito nel Campione 5b, con polarizzazioni di gate variabili Vg (in passi di 10 V). Tutti i dati sono stati ottenuti a T =1,6 K. Le curve sono antisimmetriche per rimuovere il componente Rxx. Le tacche colorate sull'asse orizzontale segnano la posizione delle transizioni magnetiche. (B a D) Rxx e Ryx come funzioni di Vg sotto tre campi magnetici rappresentativi, μ0H =0 T, 5 T e 14 T. Un ulteriore plateau di ( ) 2 / 2 R he yx =− emerge a Vg ~ -25 V, accompagnato da un Rxx evanescente (pannello D). Lo stesso plateau è visibile anche in A a μ0H> 10 T durante gli sweep di campo sotto Vg =-60 V. Questa evidenza indica uno stato di Hall quantizzato con un fattore di riempimento v =-2. Tutti i dati sono stati ottenuti nello stesso campione 5b, ma i valori di Vg non corrispondono esattamente a quelli in A a causa dell'isteresi durante gli sweep del gate. Credito: Scienza , doi:10.1126/science.aax8156
Dopo che il campo magnetico esterno applicato ha completamente polarizzato il campione a cinque strati, il gap energetico diminuiva con l'aumentare del campo magnetico. Gli stati QAH si sono gradualmente evoluti nella configurazione sperimentale fornendo uno sguardo nella struttura elettronica delle bande di superficie al di fuori del bandgap. Deng et al. compreso tutti gli stati osservati nello studio da una vista unificata. Le misurazioni di Hall vicino al campo magnetico zero producono un'efficienza di gate di 5 x 10 10 cm -2 /V, che ben si accordava con l'efficienza stimata dalla geometria del dispositivo. Dal momento che MnBi 2 Te 4 è un materiale stratificato, il team si aspetta che le tecniche sviluppate per i materiali 2-D siano applicabili a MnBi 2 Te 4 . In questo modo, Yujun Deng e colleghi anticipano che le eterostrutture di van der Waals integrano MnBi 2 Te 4 con altri materiali 2-D magnetici/superconduttori fornirà un terreno fertile per esplorare ulteriormente fenomeni quantistici topologici esotici.
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