L'autore principale Dr Semonti Bhattacharyya. Credito:Monash University School of Physics and Astronomy
Una nuova rivista di Monash mette in luce le recenti ricerche sulle eterostrutture di isolanti topologici e materiali magnetici.
In tali eterostrutture, l'interessante interazione tra magnetismo e topologia può dare origine a nuovi fenomeni come gli isolanti quantistici anomali di Hall, isolanti di assioni e skyrmioni. Tutti questi sono elementi costitutivi promettenti per la futura elettronica a bassa potenza.
A condizione che vengano trovati materiali idonei idonei, esiste la possibilità di realizzare questi stati esotici a temperatura ambiente e senza alcun campo magnetico, quindi aiutando la ricerca di FLEET per il futuro a bassa energia, elettronica oltre il CMOS.
Trovare il giusto mix di topologia e magnetismo
"Il nostro obiettivo era studiare nuovi metodi promettenti per ottenere l'effetto Hall quantistico, " dice l'autore principale del nuovo studio, Dr. Semonti Bhattacharyya alla Monash University.
L'effetto Hall quantistico (QHE) è un fenomeno topologico che consente agli elettroni ad alta velocità di fluire sul bordo di un materiale, che è potenzialmente utile per la futura elettronica a bassa energia e spintronica.
"Però, un grave collo di bottiglia per l'utilità di questa tecnologia è il fatto che l'effetto Hall quantistico richiede sempre campi magnetici elevati, che non sono possibili senza un elevato consumo di energia o il raffreddamento criogenico."
"Non ha senso sviluppare dispositivi elettronici a 'bassa energia' che consumano più energia per farli funzionare!" dice il dottor Bhattacharyya, chi è un ricercatore presso FLEET, alla ricerca di una nuova generazione di elettronica a basso consumo energetico.
Però, un 'cocktail' di fisica topologica e magnetismo può consentire di ottenere un effetto simile, l'effetto Hall anomalo quantistico, dove compaiono stati di bordo simili senza applicare un campo magnetico esterno.
Sono state seguite diverse strategie per indurre il magnetismo negli isolanti topologici:
"Nella nostra recensione, ci siamo soffermati sulla recente ricerca scientifica sulle eterostrutture sul terzo approccio, " dice il co-autore Dr. Golrokh Akhgar (FLEET/Monash). Cioè, una singola struttura che incorpora strati a film sottile di isolanti topologici e materiali magnetici adiacenti l'uno all'altro, permettendo all'isolante topologico di prendere in prestito proprietà magnetiche dal suo vicino.
Quando le due superfici degli isolanti topologici sono magnetizzate parallelamente l'una all'altra, un gap energetico si apre sulle superfici per renderle isolanti, ma i bordi supportano stati conduttivi senza resistenza che possono funzionare come un'autostrada elettronica. Credito:Monash University School of Physics and Astronomy
Questo approccio consente ai ricercatori di mettere a punto ogni tipo di materiale, ad esempio aumentando la temperatura critica per il materiale magnetico, e aumentando il gap di banda, e diminuendo gli stati di difetto, nei materiali topologici.
"Pensiamo che questo approccio per indurre il magnetismo negli isolanti topologici sia il più promettente per le scoperte future, perché il magnetismo e la topologia possono essere sintonizzati individualmente in due materiali diversi, ottimizzando così sia a nostro vantaggio, ", afferma il coautore Matt Gebert (FLEET/Monash).
Un'altra caratteristica importante di questa eterostruttura è che il magnetismo indotto dipende solo dai momenti magnetici del piano più vicino all'interno del materiale magnetico, quindi i materiali magnetici non devono essere ferromagneti—ferrimagneti, o possono essere utilizzati anche antiferromagneti. Ciò aumenta il numero di materiali magnetici candidati, consentendo la scelta di materiali con magnetismo a temperature più elevate, per il funzionamento più vicino alla temperatura ambiente.
"Questo è un nuovo entusiasmante campo di ricerca, ", afferma l'autore corrispondente, il prof. Michael Fuhrer, anche alla Monash University.
Effetto di scambio:uno dei percorsi verso l'ordinamento magnetico negli isolanti topologici è uno scambio diretto al confine dei due materiali. Credito:Monash University School of Physics and Astronomy
"Il progresso sta avvenendo estremamente rapidamente, e abbiamo ritenuto che fosse giunto il momento per un articolo di revisione che riassumesse i recenti risultati, e delineando una futura tabella di marcia in questo campo, "dice il prof Fuhrer, chi è direttore di FLEET.
Questa recensione fornisce tutte le informazioni necessarie per introdurre nuovi ricercatori nel campo. Spiega le idee concettuali alla base dei meccanismi dell'effetto di prossimità magnetica negli isolanti topologici, introduce i sistemi di materiali che sono stati esplorati e i vari fenomeni emergenti che sono stati rilevati, e delinea una futura tabella di marcia verso l'aumento della temperatura e applicazioni innovative.
Estensione magnetica:lo stato superficiale dell'isolante topologico si estende nell'isolante ferromagnetico vicino, interagendo con i momenti magnetici tramite una forte interazione di scambio per produrre una banda proibita di scambio più ampia e un comportamento isolante più forte. Credito:Monash University School of Physics and Astronomy
"Speriamo che altri trovino una revisione tempestiva che chiarisca i concetti importanti del settore e le pubblicazioni recenti, "dice Semonti.
"Recent Progress in Proximity Coupling of Magnetism to Topological Insulators" è stato pubblicato in Materiale avanzato nel giugno 2021.
