I band-gap osservati e lo schema corrispondente nell'isolatore ferromagnetico 2D (a sinistra) e nell'isolatore QAH MNBI 2 TE 4 (Giusto). Credito:FLEET
Un isolante topologico magnetico intrinseco MNBI 2 TE 4 è stato scoperto con un ampio gap di banda, rendendolo una piattaforma di materiali promettenti per la fabbricazione di elettronica a bassissima energia e l'osservazione di fenomeni topologici esotici.
Ospitando sia il magnetismo che la topologia, ultrasottile (solo alcuni nanometri di spessore) MNBI 2 TE 4 è stato scoperto che ha un ampio gap di banda in uno stato isolante di Quantum Anomalous Hall (QAH), dove il materiale è metallico (cioè, elettricamente conduttivo) lungo i suoi bordi unidimensionali, isolando elettricamente al suo interno. La resistenza quasi nulla lungo i bordi 1D di un isolante QAH, lo rendono promettente per applicazioni di trasporto senza perdite e dispositivi a bassissima energia.
Storia della QAH:come ottenere l'effetto desiderato
In precedenza, il percorso verso la realizzazione dell'effetto QAH è stato quello di introdurre quantità diluite di droganti magnetici in film ultrasottili di isolanti topologici 3D.
Però, il drogaggio magnetico diluito provoca una distribuzione casuale di impurità magnetiche, causando drogaggio e magnetizzazione non uniformi. Ciò sopprime notevolmente la temperatura alla quale è possibile osservare l'effetto QAH e limita le possibili applicazioni future.
Un'opzione più semplice consiste nell'utilizzare materiali che ospitano questo stato elettronico della materia come proprietà intrinseca.
Recentemente, sono emerse classi di cristalli atomicamente sottili, simile al famoso grafene, che sono isolanti topologici magnetici intrinseci (cioè, possiedono sia il magnetismo che la protezione topologica).
Questi materiali hanno il vantaggio di avere meno disordine e band-gap magnetiche maggiori, consentendo fasi topologiche magnetiche robuste operanti a temperature più elevate (cioè, più vicino allo scopo ultimo del funzionamento a temperatura ambiente).
"Nei laboratori FLEET della Monash University, abbiamo coltivato pellicole ultrasottili di un isolante topologico magnetico intrinseco MNBI 2 TE 4 e ha studiato la loro struttura a bande elettroniche, " spiega l'autore principale Dr. Chi Xuan Trang.
Mind the gap:come osservare il band-gap in un isolante topologico magnetico
Il magnetismo introdotto nei materiali isolanti topologici rompe la simmetria di inversione temporale nel materiale, con conseguente apertura di una lacuna nello stato superficiale dell'isolante topologico.
Osservando la transizione di fase dalla fase isolante QAH (sinistra) alla fase TI gapless paramagnetica (destra), quando al di sopra della temperatura di ordinazione magnetica. Credito:FLEET
"Anche se non possiamo osservare direttamente l'effetto QAH utilizzando la spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta (ARPES), possiamo usare questa tecnica per sondare la dimensione di un'apertura band-gap sulla superficie di MNBI 2 TE 4 e come si evolve con la temperatura, "dice il dottor Trang, che è un ricercatore presso FLEET.
In un isolante topologico magnetico intrinseco, come MNBI 2 TE 4 , esiste una temperatura critica di ordinamento magnetico in cui si prevede che il materiale subisca una transizione di fase topologica dall'isolatore QAH a un isolante topologico paramagnetico.
"Utilizzando la fotoemissione risolta in angolo a diverse temperature, potremmo misurare il band gap in MNBI 2 TE 4 apertura e chiusura per confermare la transizione di fase topologica e la natura magnetica del bandgap, ", afferma Qile Li, uno studente di Ph.D. FLEET e co-autore principale dello studio.
"La banda proibita del film ultrasottile MBT può cambiare anche in funzione dello spessore, e abbiamo osservato che un singolo strato MNBI 2 TE 4 è un isolante ferromagnetico 2D a banda larga. Un singolo strato di MBT come ferromagnete 2D potrebbe essere utilizzato anche nella magnetizzazione di prossimità se combinato in un'eterostruttura con un isolante topologico", afferma Qile Li.
"Combinando le nostre osservazioni sperimentali con i calcoli della teoria del funzionale della densità dei primi principi (DFT), possiamo confermare la struttura elettronica e la dimensione del gap di MNBI . dipendente dallo strato 2 TE 4 , " afferma FLEET AI e il leader del gruppo Dr. Mark Edmonds.
Applicazioni dell'isolatore topologico magnetico intrinseco MNBI 2 TE 4
MNBI 2 TE 4 ha potenziale in una serie di applicazioni informatiche classiche, come nel trasporto senza perdite e nei dispositivi a bassissima energia. Per di più, potrebbe essere accoppiato con un superconduttore per dare origine a stati di bordo chirali Majorana, che sono importanti per gli schemi di dispositivi di calcolo quantistico topologici.
Lo studio
I ricercatori della FLEET hanno utilizzato la spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta (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. in seguito, the ultrathin films were grown and characterized using ARPES measurements at the Advanced Light Source (Lawrence Berkeley National Laboratory) in California.
