已發(fā)現(xiàn)具有大帶隙的本征磁拓?fù)浣^緣體 MNBI 2 TE 4，使其成為制造超低能電子器件和觀察奇異拓?fù)洮F(xiàn)象的有前途的材料平臺(tái)。擁有磁性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，超薄(只有幾納米的厚度)MNBI 2 TE 4被發(fā)現(xiàn)在量子反?；魻?(QAH) 絕緣狀態(tài)下具有大帶隙，其中材料是金屬的(即導(dǎo)電的) ) 沿其一維邊緣，同時(shí)在其內(nèi)部電絕緣。沿著 QAH 絕緣體的一維邊緣的電阻幾乎為零，使其有望用于無(wú)損傳輸應(yīng)用和超低能耗設(shè)備。

QAH的歷史：如何達(dá)到預(yù)期效果

以前，實(shí)現(xiàn) QAH 效應(yīng)的途徑是將稀釋量的磁性摻雜劑引入 3D拓?fù)浣^緣體的超薄膜中。

然而，稀釋的磁摻雜會(huì)導(dǎo)致磁性雜質(zhì)的隨機(jī)分布，從而導(dǎo)致不均勻的摻雜和磁化。這極大地抑制了可以觀察到 QAH 效應(yīng)的溫度，并限制了未來(lái)可能的應(yīng)用。

一個(gè)更簡(jiǎn)單的選擇是使用將這種物質(zhì)的電子狀態(tài)作為內(nèi)在屬性的材料。

最近，出現(xiàn)了類(lèi)似于著名的石墨烯的原子級(jí)薄晶體，它們是固有的磁性拓?fù)浣^緣體(即，同時(shí)具有磁性和拓?fù)浔Ｗo(hù))。

這些材料的優(yōu)勢(shì)在于具有較少的無(wú)序和較大的磁帶隙，允許在較高溫度下運(yùn)行穩(wěn)健的磁性拓?fù)湎?即更接近室溫運(yùn)行的最終目標(biāo))。

“在莫納什大學(xué)的 FLEET 實(shí)驗(yàn)室，我們生長(zhǎng)了內(nèi)在磁拓?fù)浣^緣體 MNBI 2 TE 4 的超薄膜，并研究了它們的電子能帶結(jié)構(gòu)，”主要作者 Chi Xuan Trang 博士解釋說(shuō)。

注意間隙：如何觀察磁性拓?fù)浣^緣體中的帶隙

拓?fù)浣^緣體材料中引入的磁性破壞了材料中的時(shí)間反轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，導(dǎo)致拓?fù)浣^緣體的表面狀態(tài)打開(kāi)了一個(gè)間隙。

當(dāng)高于磁性有序溫度時(shí)，觀察從 QAH 絕緣體相(左)到順磁無(wú)間隙 TI 相(右)的相變。信用：艦隊(duì)

“雖然我們無(wú)法使用角分辨光發(fā)射光譜(ARPES)直接觀察 QAH 效應(yīng)，但我們可以使用這種技術(shù)來(lái)探測(cè) MNBI 2 TE 4表面帶隙開(kāi)口的大小以及它如何隨溫度變化，” FLEET 研究員 Trang 博士說(shuō)。

在固有磁性拓?fù)浣^緣體(例如 MNBI 2 TE 4 )中，存在臨界磁性排序溫度，在該溫度下，材料預(yù)計(jì)會(huì)經(jīng)歷從 QAH 絕緣體到順磁拓?fù)浣^緣體的拓?fù)湎嘧儭?/p>

“通過(guò)在不同溫度下使用角分辨光電子發(fā)射，我們可以測(cè)量 MNBI 2 TE 4開(kāi)閉中的帶隙，以確認(rèn)帶隙的拓?fù)湎嘧兒痛判裕?rdquo;FLEET 博士李奇樂(lè)說(shuō)。該研究的學(xué)生和共同主要作者。

“超薄膜 MBT 的帶隙也可以作為厚度的函數(shù)而變化，我們觀察到單層 MNBI 2 TE 4是寬帶隙 2D 鐵磁絕緣體。單層 MBT 作為 2D 鐵磁體也可以在附近使用與拓?fù)浣^緣體結(jié)合在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中時(shí)的磁化強(qiáng)度。” 李七樂(lè)說(shuō)。

“通過(guò)將我們的實(shí)驗(yàn)觀察與第一性原理密度泛函理論 (DFT) 計(jì)算相結(jié)合，我們可以確認(rèn)依賴(lài)于層的 MNBI 2 TE 4的電子結(jié)構(gòu)和間隙大小，”FLEET AI 和小組負(fù)責(zé)人 Mark Edmonds 博士說(shuō)。

本征磁拓?fù)浣^緣體MNBI 2 TE 4的應(yīng)用

MNBI 2 TE 4在許多經(jīng)典計(jì)算應(yīng)用中具有潛力，例如無(wú)損傳輸和超低能耗設(shè)備。此外，它可以與超導(dǎo)體耦合以產(chǎn)生手性馬約拉納邊緣態(tài)，這對(duì)于拓?fù)淞孔佑?jì)算設(shè)備方案很重要。

研究

FLEET 研究人員使用角分辨光電子能譜 (ARPES) 和密度泛函理論 (DFT) 計(jì)算來(lái)研究 MNBI 2 TE 4的電子狀態(tài)和能帶結(jié)構(gòu)。

2021 年 8 月在ACS Nano 上發(fā)表了超薄 MNBI 2 TE 4中從 2D 鐵磁絕緣體到寬帶隙量子異?；魻柦^緣體的交叉。

本研究中的超薄 MNBI 2 TE 4薄膜配方最初是在莫納什大學(xué)的 Edmonds 電子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)的。之后，在加利福尼亞的高級(jí)光源(勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室)使用 ARPES 測(cè)量來(lái)生長(zhǎng)和表征超薄膜。

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