Fabricación del dispositivo de escamas finas MnBi2Te4. (A) Imagen óptica de escamas representativas de MnBi2Te4 de pocas capas escindidas en una película delgada de Al2O3. La pila MnBi2Te4 / Al2O3 es compatible con un sustrato PDMS. La imagen se obtuvo en modo de transmisión. Barra de escala:20 μm. (B) Imagen óptica de la misma pila de MnBi2Te4 / Al2O3 transferida a un sustrato de SiO2 / Si de 285 nm. El residuo de la cinta es visible debajo de la película de Al2O3; el residuo no afecta la fabricación de la muestra y las mediciones posteriores. (C) Imagen óptica de un dispositivo fabricado a partir de la muestra que se muestra en B. Los contactos de metal (Cr / Au) con la muestra se evaporaron térmicamente a través de una máscara de plantilla. (D) Imagen óptica del mismo dispositivo después de eliminar el exceso de escamas de MnBi2Te4 que cortocircuitan los electrodos adyacentes con una punta afilada. Crédito: Ciencias , doi:10.1126 / science.aax8156
La topología de banda no trivial se puede combinar con el orden magnético en un aislante topológico magnético para producir estados exóticos de la materia, como aisladores de Hall anómalos cuánticos (QAH) y aisladores de axiones. Un objetivo de la física de la materia condensada es encontrar nuevos materiales con propiedades útiles y aplicar la mecánica cuántica para estudiarlos. El campo ha permitido a los físicos comprender mejor los usos de los imanes para el almacenamiento de datos en el disco duro, pantallas de computadora y otras tecnologías. El reciente descubrimiento de aislantes topológicos ha atraído un gran interés y los investigadores predicen que la interacción entre el ferromagnetismo y el estado del aislante topológico puede realizar una gama de fenómenos magnéticos cuánticos exóticos de interés en la física fundamental y aplicaciones de dispositivos.
En un nuevo informe, Yujun Deng y un equipo de investigación de los departamentos de física y física de la materia cuántica en China, transporte cuántico probado en una fina escama MnBi 2 Te 4 aislante topológico, con orden magnético intrínseco. Las capas ferromagnéticas acopladas anti-paralelamente entre sí en el MnBi atómicamente delgado 2 Te 4 cristal de van der Waals en capas. Sin embargo, la muestra se volvió ferromagnética cuando contenía un número impar de séptuples capas. El equipo de investigación observó el efecto QAH de campo cero en una muestra de cinco capas septuples a 1,4 Kelvin. Los resultados establecieron MnBi 2 Te 4 como una plataforma ideal para explorar fenómenos topológicos exóticos con simetría de inversión temporal rota espontáneamente. El trabajo ahora está publicado en Ciencias .
Los materiales topológicos contienen claramente estados cuánticos protegidos topológicamente que son robustos contra las angustias locales. Por ejemplo, en un aislante topológico (TI) como el telururo de bismuto (Bi 2 Te 3 ), la topología de banda masiva puede garantizar la existencia de estados de superficie bidimensionales (2-D) con dispersión de Dirac sin espacios. Al introducir magnetismo en los aislantes topológicos (TI) invariantes de inversión inicial en el tiempo, los científicos pueden inducir cambios profundos en su estructura electrónica. Por ejemplo, para observar experimentalmente el efecto QAH en dopado con cromo (Bi, Sb) 2 Te 3 , los físicos tenían que controlar con precisión la proporción de múltiples elementos en un material no estequiométrico. Ajustar el material requirió conciliar demandas en conflicto y, por lo tanto, Los investigadores tuvieron que cuantificar con precisión el efecto Hall anómalo solo a temperaturas de hasta T =2 K, muy por debajo de la temperatura de Curie y la brecha de intercambio en el material. Para explorar más a fondo los ricos fenómenos topológicos y sus posibles aplicaciones, Los investigadores deben usar TI magnéticos intrínsecos (aislantes topológicos) con un orden magnético innato para estudiar sus efectos topológicos en cristales prístinos.
Fabricación y caracterización de dispositivos MnBi2Te4 de pocas capas. (A) Imagen óptica de escamas de pocas capas de MnBi2Te4 escindidas en una película delgada de Al2O3 evaporada térmicamente (espesor ~ 70 nm). La pila MnBi2Te4 / Al2O3 se apoya en un sustrato PDMS. La imagen fue tomada en modo de transmisión. El número de SL está etiquetado en las escamas seleccionadas. Barra de escala:20 μm. (B) Transmitancia en función del número de SL. La transmitancia (círculos rellenos) sigue la ley de Beer-Lambert (línea continua). (C) Resistencia de la muestra dependiente de la temperatura de pocas capas de MnBi2Te4. La transición antiferromagnética se manifiesta como un pico de resistencia en los tres, muestras de cuatro y cinco capas (muestra 3a, 4a y 5a, respectivamente; ver tabla S1). Recuadro:estructura cristalina en capas de MnBi2Te4 en estado antiferromagnético. Los espines de los iones Mn2 + se ordenan ferromagnéticamente dentro de una capa, mientras que las capas vecinas se acoplan antiferromagnéticamente con una anisotropía magnetocristalina fuera del plano. (D) Ryx de los mismos tres-, cuatro-, y muestras de MnBi2Te4 de cinco capas que se muestran en C como una función del campo magnético externo aplicado perpendicularmente al plano de la muestra. Los datos se obtuvieron a T =1,6 K. Todos los conjuntos de datos fueron antisimetrizados para eliminar el componente Rxx (23). El campo magnético externo invierte SL ferromagnéticos individuales, un SL a la vez, y eventualmente polariza completamente todos los SL. Las transiciones magnéticas se manifiestan como saltos en Ryx que están marcados por marcas de colores en los ejes horizontales. Los dibujos animados ilustran los estados magnéticos en campos magnéticos representativos (marcados con círculos abiertos). Los SL con magnetización hacia arriba (hacia abajo) se muestran en rojo (azul). Por simplicidad, sólo se muestra una de las posibles configuraciones cuando hay degeneraciones; también ignoramos los dominios magnéticos que pueden estar presentes en algunos de los estados magnéticos. Crédito: Ciencias , doi:10.1126 / science.aax8156
En este trabajo, Deng y col. transporte cuántico sondado en escamas atómicamente delgadas de aislante topológico magnético intrínseco MnBi 2 Te 4. El material contenía un compuesto de tetradimita ternario estratificado que contenía septuples capas (Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te). El MnBi resultante 2 Te 4 cristal era intrínsecamente magnético y el magnetismo se originó a partir de Mn 2+ iones en el cristal. Estudiaron escamas delgadas de MnBi. 2 Te 4. para minimizar la conducción masiva paralela y enfocada en MnBi 2 Te 4 copos que contienen un número impar de capas.
El equipo comenzó con MnBi de alta calidad. 2 Te 4 Cristales cultivados usando un método de flujo para obtener MnBi atómicamente delgado 2 Te 4 a través de Al 2 O 3 -exfoliación asistida. Para lograr esto, evaporaron térmicamente Al 2 O 3 capa fina sobre una superficie recién preparada del cristal a granel, levantó el volumen con una cinta de liberación térmica y luego liberó el Al combinado 2 O 3 / MnBi 2 Te 4 apílelo sobre un trozo de polidimetilsiloxano transparente (PDMS) para inspección microscópica. Después de eso, estamparon las finas escamas en una oblea de silicio cubierta con SiO 2 , seguido de la deposición de contactos Cr / Au para mediciones de transporte. El equipo completó el proceso en una caja hermética para evitar la exposición de la muestra al oxígeno (O 2 ) y agua (H 2 O) para mitigar la degradación de la muestra. Luego estudiaron extensamente el rico conjunto de estados magnéticos para las muestras de pocas capas.
Efecto Hall anómalo cuántico en un copo de MnBi2Te4 de cinco capas. (A y B) Ryx (A) y Rxx (B) dependientes del campo magnético adquiridos en la muestra 5b de cinco capas a T =1.4 K. Los datos de Ryx y Rxx que se muestran aquí son antisimetrizados y simétrizados, respectivamente, para eliminar la mezcla de los dos componentes (23). Los barridos hacia arriba y hacia abajo del campo magnético se muestran en rojo y azul, respectivamente. Ryx alcanza 2 0,97 / h e, concomitante con un Rxx de 2 0.061 / h e en μ0H =0 T. Estas características son una evidencia inequívoca del efecto QAH de campo cero. El campo magnético externo polariza los SL ferromagnéticos individualmente, y mejora aún más la cuantificación de QAH; Ryx cuantifica a 2 0,998 / h e bajo campos magnéticos por encima de μ0H ~ 2,5 T. (C) Rxx de la muestra 5b en función del campo magnético adquirido a diversas temperaturas. Los datos están simétrizados para eliminar el componente Ryx. (D) Gráfico de Arrhenius de Rxx en función de 1 / T bajo campos magnéticos representativos. Las líneas continuas son ajustes de línea, cuya pendiente produce la brecha de energía del transporte de carga activado térmicamente. (E) Brecha de energía en función del campo magnético extraído del ajuste de las gráficas de Arrhenius ejemplificadas en D. La región sombreada representa el límite de error de la brecha de energía de los ajustes de línea. Los círculos sólidos resaltan los valores de brecha representativos obtenidos de los accesorios que se muestran en D. Marcas de colores en los ejes horizontales en el panel B, C y E marcan la ubicación de las transiciones magnéticas. Todos los datos se obtuvieron con un sesgo de backgate de Vg =−200 V. Crédito: Ciencias , doi:10.1126 / science.aax8156
Deng y col. observó un efecto QAH bien desarrollado en un campo magnético cero en un MnBi de cinco capas 2 Te 4 de una calidad de muestra muy mejorada. Observaron que un campo magnético externo mejoró aún más la cuantificación al alinear las capas ferromagnéticas. La alineación ferromagnética también mejoró la robustez del efecto QAH frente a las fluctuaciones térmicas. En campo magnético cero, obtuvieron una brecha de energía que excedió el valor en películas delgadas de Ti dopadas magnéticamente, aunque sigue siendo mucho menor que la brecha cambiaria esperada para MnBi 2 Te 4 .
La brecha de energía no midió directamente la brecha de banda de los estados de la superficie en el cristal, pero caracterizó la energía mínima requerida para excitar un electrón de la valencia a la banda de conducción. Por ejemplo, una gran diferencia entre la brecha de energía y la banda prohibida prevista implicaba varios trastornos en la muestra. Como resultado, hay mucho espacio para aumentar aún más la escala de energía del efecto QAH en prístina, MnBi de alta calidad 2 Te 4 muestras.
Efecto Hall anómalo cuántico ajustado a la puerta en una escama de MnBi2Te4 de cinco capas. (A) Ryx dependiente del campo magnético, adquirido en la Muestra 5b, bajo polarizaciones de puerta variables Vg (en pasos de 10 V). Todos los datos se obtuvieron a T =1,6 K. Las curvas están antisimetrizadas para eliminar el componente Rxx. Las marcas de colores en el eje horizontal marcan la ubicación de las transiciones magnéticas. (B a D) Rxx y Ryx como funciones de Vg bajo tres campos magnéticos representativos, μ0H =0 T, 5 T y 14 T.Una meseta adicional de () 2/2 R he yx =- emerge en Vg ~ −25 V, acompañado por un Rxx que desaparece (panel D). La misma meseta también es visible en A en μ0H> 10 T durante barridos de campo bajo Vg =-60 V. Esta evidencia apunta a un estado Hall cuantificado con un factor de llenado v =-2. Todos los datos se obtuvieron en la misma Muestra 5b, pero los valores de Vg no coinciden exactamente con los de A debido a la histéresis durante los barridos de puerta. Crédito: Ciencias , doi:10.1126 / science.aax8156
Después de que el campo magnético externo aplicado polarizó completamente la muestra de cinco capas, la brecha de energía disminuyó con el aumento del campo magnético. Los estados QAH evolucionaron gradualmente en la configuración experimental proporcionando un vistazo a la estructura electrónica de las bandas de superficie fuera de la banda prohibida. Deng y col. Entendido todos los estados observados en el estudio desde una visión unificada. Las mediciones de Hall cercanas al campo magnético cero producen una eficiencia de puerta de 5 x 10 10 cm -2 / V, que concuerda bien con la eficiencia estimada a partir de la geometría del dispositivo. Desde MnBi 2 Te 4 es un material en capas, el equipo espera que las técnicas desarrolladas para materiales 2-D sean aplicables a MnBi 2 Te 4 . De este modo, Yujun Deng y sus colegas anticipan que las heteroestructuras de van der Waals que integran MnBi 2 Te 4 con otros materiales 2-D magnéticos / superconductores proporcionará un terreno fértil para explorar más a fondo los fenómenos cuánticos topológicos exóticos.
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