Connect with us

Hi, what are you looking for?

Наука и технологии

Создание «сэндвича» из магнитов и топологических изоляторов показывает потенциал для электроники без потерь

Исследовательская группа из Университета Монаша обнаружила, что структура, состоящая из ультратонкого топологического изолятора, зажатого между двумя двумерными ферромагнитными изоляторами, становится широкозонным квантовым аномальным холловским изолятором.

Такая гетероструктура обеспечивает путь к созданию жизнеспособной электроники будущего со сверхнизким энергопотреблением или даже топологической фотогальваники.

Топологический изолятор: начинка в бутерброде

В новой гетероструктуре исследователей ферромагнитный материал образует «хлеб» сэндвича, а топологический изолятор (т. е. материал с нетривиальной топологией) занимает место «начинки».

Создание «сэндвича» из магнитов и топологических изоляторов показывает потенциал для электроники без потерь

Сочетание магнетизма и нетривиальной зонной топологии приводит к квантовым аномальным изоляторам Холла (QAH), а также к экзотическим квантовым фазам, таким как эффект QAH, когда ток течет без диссипации вдоль квантованных краевых состояний.

Индуцирование магнитного порядка в топологических изоляторах за счет близости к магнитному материалу предлагает многообещающий путь к достижению эффекта QAH при более высоких температурах (приближающихся или превышающих комнатную температуру ) для транспортных приложений без потерь.

Одна из многообещающих архитектур включает многослойную структуру, состоящую из двух отдельных слоев MnBi 2 Te 4 (двумерный ферромагнитный изолятор) по обе стороны от ультратонкого Bi 2 Te 3 посередине (топологический изолятор). Было предсказано, что эта структура даст прочную изоляторную фазу QAH с шириной запрещенной зоны, значительно превышающей тепловую энергию, доступную при комнатной температуре (25 мэВ).

Новое исследование под руководством Монаша продемонстрировало рост гетероструктуры MnBi 2 Te 4 / Bi 2 Te 3 / MnBi 2 Te 4 с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии и исследовало электронную структуру структуры с помощью фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением.

«Мы наблюдали сильные, гексагонально деформированные массивные фермионы Дирака и ширину запрещенной зоны 75 мэВ», — говорит ведущий автор Монаш, доктор философии. кандидат Циле Ли.

Магнитное происхождение щели было подтверждено наблюдением исчезновения запрещенной зоны выше температуры Кюри, а также нарушением симметрии обращения времени и обменным эффектом Рашбы, что прекрасно согласуется с расчетами теории функционала плотности.

«Эти результаты дают представление об эффектах магнитной близости в топологических изоляторах, которые будут перемещать транспорт без потерь в топологических изоляторах в сторону более высоких температур», — говорит руководитель группы Monash и ведущий автор доктор Марк Эдмондс.

Как это работает

Двумерные ферромагнетики MnBi 2 Te 4 индуцируют магнитный порядок (т. е. обменное взаимодействие с двумерными дираковскими электронами) в сверхтонком топологическом изоляторе Bi 2 Te 3 за счет магнитной близости.

Создание «сэндвича» из магнитов и топологических изоляторов показывает потенциал для электроники без потерь

Это создает большой магнитный зазор, при этом гетероструктура становится изолятором с квантовой аномалией Холла (QAH), так что материал становится металлическим (то есть электропроводящим) вдоль своих одномерных краев, оставаясь при этом электроизолирующим внутри. Почти нулевое сопротивление вдоль одномерных краев изолятора QAH делает его таким многообещающим путем к низкоэнергетической электронике следующего поколения.

На сегодняшний день для реализации эффекта QAH использовалось несколько стратегий, таких как введение разбавленных количеств магнитных примесей в ультратонкие пленки трехмерных топологических изоляторов. Однако введение магнитных примесей в кристаллическую решетку может быть сложной задачей и приводит к магнитному беспорядку, который значительно снижает температуру, при которой можно наблюдать эффект QAH, и ограничивает будущие приложения.

Вместо включения трехмерных переходных металлов в кристаллическую решетку более выгодной стратегией является размещение двух ферромагнитных материалов на верхней и нижней поверхностях трехмерного топологического изолятора. Это нарушает симметрию обращения времени в топологическом изоляторе с магнитным порядком и, таким образом, открывает запрещенную зону в поверхностном состоянии топологического изолятора и приводит к изолятору QAH.

Приготовление правильного сэндвича

Тем не менее, создание достаточного магнитного порядка, чтобы открыть значительный зазор с помощью эффектов магнитной близости, является сложной задачей из-за нежелательного влияния резкого граничного потенциала, возникающего из-за несоответствия решеток между магнитными материалами и топологическим изолятором.

«Чтобы свести к минимуму интерфейсный потенциал при наведении магнитного порядка за счет близости, нам нужно было найти двумерный ферромагнетик, обладающий химическими и структурными свойствами, аналогичными трехмерному топологическому изолятору», — говорит Цили Ли, которая также является доктором философии. студент Центра передового опыта в области электронных технологий с низким энергопотреблением (FLEET) Австралийского исследовательского совета.

«Таким образом, вместо резкого межфазного потенциала происходит магнитное расширение топологического поверхностного состояния в магнитный слой. Это сильное взаимодействие приводит к значительному обменному расщеплению в топологическом поверхностном состоянии тонкой пленки и открывает большую щель, «, — говорит Ли.

Особенно перспективен односемислойный слой собственного магнитного топологического изолятора MnBi 2 Te 4 , так как он представляет собой ферромагнитный изолятор с температурой Кюри 20 К.

«Что еще более важно, эта установка структурно очень похожа на хорошо известный трехмерный топологический изолятор Bi 2 Te 3 с несовпадением решеток всего 1%», — говорит доктор Марк Эдмондс, младший исследователь FLEET.

Исследовательская группа отправилась в часть Advanced Light Source Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Беркли, США, где они вырастили гетероструктуры ферромагнетик/топологический/ферромагнетик и исследовали структуру их электронных зон в сотрудничестве с штатным ученым доктором Сунг-Кван Мо.

«Хотя мы не можем напрямую наблюдать эффект QAH с помощью фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES), мы могли бы использовать этот метод, чтобы исследовать размер ширины запрещенной зоны, а затем подтвердить, что он имеет магнитное происхождение», — говорит доктор Эдмондс.

«Используя фотоэмиссию с угловым разрешением, мы могли также исследовать гексагональное искривление в поверхностном состоянии. Оказывается, сила искривления фермионов Дирака в нашей гетероструктуре почти вдвое больше, чем в Bi 2 Te 3 », — говорит доктор . Эдмондс

Исследовательская группа также смогла подтвердить электронную структуру, размер зазора и температуру, при которой эта гетероструктура MnBi 2 Te 4 /Bi 2 Te 3 /MnBi 2 Te 4 может поддерживать эффект КЭХ, объединив экспериментальные наблюдения ARPES с магнитными измерениями. для определения температуры Кюри (выполнено младшим исследователем FLEET доктором Дэвидом Корти из Университета Вуллонгонга) и расчетами теории функционала плотности из первых принципов, выполненными группой доктора Шэнъюаня Янга (Сингапурский университет технологий и дизайна).

Рост этой гетероструктуры был первоначально обнаружен в лаборатории электронной структуры Эдмондса в Университете Монаша. После этого гетероструктурные пленки были выращены и охарактеризованы с использованием измерений ARPES в Advanced Light Source (Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли) в Калифорнии.

Исследование «Большой магнитный зазор в конструкторской гетероструктуре ферромагнетик — топологический изолятор — ферромагнетик» было опубликовано в Advanced Materials в марте 2022 года.

Создание «сэндвича» из магнитов и топологических изоляторов показывает потенциал для электроники без потерь

Теги: магнит, микроэлектроника

В тренде