La realizzazione di più stati edge senza dissipazione e l'aumento della temperatura di lavoro degli stati isolanti di Chern non sono solo i temi di ricerca più importanti nelle scienze fisiche, ma dovrebbe anche promuovere lo sviluppo dell'elettronica a basso consumo e dei circuiti integrati. Credito:Centro internazionale per i materiali quantistici, Scuola di Fisica, Università di Pechino
L'effetto Quantum Hall (QHE) è una delle scoperte più importanti nelle scienze fisiche. A causa degli stati del bordo senza dissipazione unidimensionali (1-D), QHE mostra proprietà di trasporto esotiche con resistenza di Hall quantizzata di h/νe2 e resistenza longitudinale nulla. Qui, h è la costante di Planck, è il fattore di riempimento di Landau ed e è la carica dell'elettrone. Il QHE di solito ha origine dalla formazione di un notevole gap energetico e dalla rottura della simmetria di inversione temporale, che richiede materiali ad alta mobilità, campo magnetico elevato e temperatura ultrabassa. Queste condizioni rigorose limitano notevolmente l'esplorazione profonda e le ampie applicazioni di QHE. Nel 1988, Haldane ha proposto teoricamente che il QHE può essere realizzato senza applicare un campo magnetico esterno, cioè stato isolante Chern o effetto Hall anomalo quantistico (QAHE).
Nel 2013, QAHE con numero di Chern C=1 è stato osservato sperimentalmente in film sottili di cromo drogato (Bi, Sb) 2 Te 3 alla temperatura fino a 30 mK. Dopo, Haldane è stato insignito del Premio Nobel per la Fisica 2016 per i suoi primi lavori teorici sulle fasi topologiche della materia, inclusa la previsione di QAHE. Gli stati di bordo 1D senza dissipazione degli isolatori Chern forniscono una possibile soluzione all'inevitabile riscaldamento nei circuiti integrati. Generalmente, solo uno stato del bordo 1-D senza dissipazione può essere realizzato a temperature ultrabasse in isolatori topologici drogati magneticamente, che è lontano dai requisiti dell'applicazione. Perciò, la realizzazione di stati edge multipli senza dissipazione e l'aumento della temperatura di lavoro degli stati isolanti di Chern non sono solo i temi di ricerca più importanti nelle scienze fisiche, ma dovrebbe anche promuovere lo sviluppo dell'elettronica a basso consumo e dei circuiti integrati.
Recentemente, una collaborazione di ricerca guidata dal professor Wang Jian dell'Università di Pechino, Il professor Xu Yong e il professor Wu Yang della Tsinghua University hanno scoperto stati isolanti Chern ad alto numero di Chern e ad alta temperatura in MnBi 2 Te 4 dispositivi, rappresentando un grande passo avanti negli isolanti di Chern e negli stati quantistici topologici.
MnBi 2 Te 4 è un materiale topologico magnetico stratificato. Come mostrato in Fig. 1a, MnBi . monostrato 2 Te 4 comprende sette strati atomici, formando uno strato settuplo Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te (SL), che può essere visto come intercalare un doppio strato di Mn-Te nel centro di un Bi 2 Te 3 strato quintuplo. MnBi 2 Te 4 mostra un ordine ferromagnetico (FM) all'interno di SL e un ordine antiferromagnetico (AFM) tra SL adiacenti con un asse facile fuori piano. I calcoli teorici mostrano che ci si possono aspettare vari stati topologici esotici in MnBi 2 Te 4 , come QAHE in film SL dispari, stato dell'isolante axion anche nei film SL, Isolante topologico AFM a campo magnetico nullo e semimetallo magnetico Weyl sotto campo magnetico perpendicolare alla rinfusa. Abbondanti stati topologici esotici e struttura a strati rendono MnBi 2 Te 4 un'eccellente piattaforma per l'osservazione e la modulazione di stati quantistici topologici.
(a) Struttura cristallina schematica di MnBi2Te4. Le frecce rosse e blu indicano i momenti magnetici degli atomi di Mn. (b) Stato dell'isolatore Chern ad alto numero di Chern (C=2) nel dispositivo 10-SL MnBi2Te4. (C), (d) Evoluzione della temperatura dello stato dell'isolatore di Chern ad alto numero di Chern (C=2). (e) Stato dell'isolatore schematico C=2 Chern con due stati del bordo senza dissipazione. I due diversi colori sono usati per distinguere gli SL MnBi2Te4 adiacenti. Questa figura è adattata da https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa089 Credito:The International Centre for Quantum Materials, Scuola di Fisica, Università di Pechino
I ricercatori hanno fabbricato diversi MnBi 2 Te 4 dispositivi di diverso spessore. In MnBi . 9-SL e 10-SL 2 Te 4 dispositivi, si osserva un plateau di resistenza di Hall con altezza di h/2e2 accompagnato da una resistenza longitudinale quasi nulla applicando un campo magnetico perpendicolare di 5 T, che è caratteristico dell'isolatore di Chern con due stati di bordo privi di dissipazione (C=2) (Fig. 1b). Più interessante, lo stato dell'isolante C=2 Chern in 10-SL MnBi 2 Te 4 dispositivo può sostenere oltre 10 K (Figg. 1c, D). Questa è la prima scoperta sperimentale di stati limite multipli senza dissipazione al di sopra della temperatura dell'elio liquido.
I ricercatori hanno studiato ulteriormente l'influenza dello spessore di MnBi 2 Te 4 dispositivi sul numero Chern. In 7-SL e 8-SL MnBi 2 Te 4 dispositivi, un plateau di resistenza di Hall quantizzato h/e2 accompagnato da una resistenza longitudinale quasi nulla, cioè si osserva lo stato dell'isolatore di Chern con C=1. Ma ancora più importante, l'altopiano di Hall mostra una resistenza quasi quantizzata anche a 45 K in 7-SL MnBi 2 Te 4 dispositivo (Figg. 2a-c) e oltre 30 K in 8-SL MnBi 2 Te 4 dispositivo (Figg. 2d-f), che sono ovviamente superiori alla temperatura di Néel (circa 22 K) del MnBi 2 Te 4 dispositivi.
Gli stati dell'isolante Chern ad alto numero di Chern e ad alta temperatura osservati richiedono l'applicazione di un campo magnetico debole a causa della natura antiferromagnetica di MnBi 2 Te 4 a campo magnetico nullo. Poiché il QHE ordinario può anche dar luogo a un plateau di resistenza di Hall quantizzato e a una resistenza longitudinale evanescente, è necessario escludere l'influenza dei livelli di Landau (LLs) indotta dal campo magnetico esterno sui risultati. I ricercatori hanno prima stimato la mobilità di MnBi 2 Te 4 dispositivi, che risulta essere compreso tra 100 e 300 cm 2 V −1 S −1 . Tale bassa mobilità richiede un campo magnetico esterno superiore a 30 T per l'osservazione di QHE con LL, che è molto più alto del campo magnetico di quantizzazione nel nostro MnBi 2 Te 4 dispositivi. I ricercatori hanno inoltre dimostrato che il segno del numero di Chern rimane invariato con il tipo di portante quando si applicano tensioni di back gate, escludendo inequivocabilmente la possibilità del QHE ordinario con LL.
(a)-(c) Stato dell'isolatore Chern ad alta temperatura nel dispositivo 7-SL MnBi2Te4. (d)-(f) Stato dell'isolante Chern ad alta temperatura nel dispositivo 8-SL MnBi2Te4. Questa cifra proviene da https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa089 Credito:The International Centre for Quantum Materials, Scuola di Fisica, Università di Pechino
L'origine degli stati isolanti di Chern osservati è rivelata da calcoli teorici. MnBi . ferromagnetico 2 Te 4 si prevede che sia il semimetallo magnetico Weyl più semplice, che possiede solo una coppia di punti Weyl (WP) vicino al livello di Fermi. Il confinamento quantistico porta allo stato isolante di Chern e al numero di Chern dipendente dallo strato in MnBi a pochi strati 2 Te 4 , consentendo l'esistenza di più stati di bordo senza dissipazione nel gap di banda di massa, che è coerente con i risultati sperimentali. La scoperta dello stato isolante di Chern ad alto numero di Chern fornisce anche prove sperimentali per lo stato semimetallico magnetico di Weyl in MnBi 2 Te 4 .
Gli stati isolanti Chern ad alto numero di Chern e ad alta temperatura scoperti nei materiali topologici magnetici intrinseci stimoleranno l'esplorazione a temperature più elevate e persino a temperatura ambiente QAHE, e aprire la strada a grandi scoperte in fisica, scienza dei materiali e informatica.
Il documento intitolato "Effetto Hall quantistico ad alto numero di Chern e ad alta temperatura senza livelli di Landau, " è stato pubblicato online in Rassegna scientifica nazionale .
