La realización de múltiples estados de borde sin disipación y el aumento de la temperatura de trabajo de los estados de los aisladores Chern no son solo los temas de investigación más importantes en las ciencias físicas, pero también se espera que promueva el desarrollo de circuitos integrados y electrónicos de bajo consumo. Crédito:Centro Internacional de Materiales Cuánticos, Escuela de Física, Universidad de Peking
El efecto Hall cuántico (QHE) es uno de los descubrimientos más importantes en las ciencias físicas. Debido a los estados de borde sin disipación unidimensional (1-D), QHE exhibe exóticas propiedades de transporte con una resistencia Hall cuantificada de h / νe2 y una resistencia longitudinal que desaparece. Aquí, h es la constante de Planck, ν es el factor de llenado de Landau ye es la carga de electrones. QHE generalmente se origina a partir de la formación de una brecha de energía notable y la simetría de inversión de tiempo rota, que requiere materiales con alta movilidad, alto campo magnético y temperatura ultrabaja. Estas rigurosas condiciones limitan en gran medida la exploración profunda y las amplias aplicaciones de QHE. En 1988, Haldane propuso teóricamente que QHE se puede realizar sin aplicar un campo magnético externo, es decir, el estado del aislador de Chern o el efecto Hall anómalo cuántico (QAHE).
En 2013, Se observó experimentalmente QAHE con número Chern C =1 en películas delgadas de dopado con cromo (Bi, Sb) 2 Te 3 a una temperatura de hasta 30 mK. Después, Haldane recibió el Premio Nobel de Física 2016 por sus primeros trabajos teóricos sobre las fases topológicas de la materia, incluida la predicción de QAHE. Los estados de borde sin disipación 1D de los aisladores Chern proporcionan una posible solución al calentamiento inevitable en los circuitos integrados. En general, solo se puede realizar un estado de borde sin disipación 1-D a temperaturas ultrabajas en aislantes topológicos dopados magnéticamente, que está lejos de los requisitos de la aplicación. Por lo tanto, La realización de múltiples estados de borde sin disipación y el aumento de la temperatura de trabajo de los estados de los aisladores Chern no son solo los temas de investigación más importantes en las ciencias físicas, pero también se espera que promueva el desarrollo de circuitos integrados y electrónicos de bajo consumo.
Recientemente, una colaboración de investigación dirigida por el profesor Wang Jian en la Universidad de Pekín, El profesor Xu Yong y el profesor Wu Yang de la Universidad de Tsinghua han descubierto estados aislantes de Chern de alto número de Chern y de alta temperatura en MnBi 2 Te 4 dispositivos, lo que representa un gran avance en los aisladores de Chern y los estados cuánticos topológicos.
MnBi 2 Te 4 es un material topológico magnético en capas. Como se muestra en la Fig. 1a, monocapa MnBi 2 Te 4 incluye siete capas atómicas, formando una capa séptuple (SL) de Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te, que puede verse como la intercalación de una bicapa de Mn-Te en el centro de una Bi 2 Te 3 capa quíntuple. MnBi 2 Te 4 exhibe un orden ferromagnético (FM) dentro de SL y un orden anti-ferromagnético (AFM) entre SL vecinos con un eje fácil fuera del plano. Los cálculos teóricos muestran que se pueden esperar varios estados topológicos exóticos en MnBi 2 Te 4 , como QAHE en extrañas películas de SL, estado del aislador de axiones incluso en películas SL, Aislante topológico AFM a campo magnético cero y semimetal magnético Weyl bajo campo magnético perpendicular a granel. Los abundantes estados topológicos exóticos y la estructura en capas hacen que MnBi 2 Te 4 una excelente plataforma para la observación y modulación de estados cuánticos topológicos.
(a) Estructura cristalina esquemática de MnBi2Te4. Las flechas roja y azul indican momentos magnéticos de los átomos de Mn. (b) Alto número de Chern (C =2) Estado del aislante de Chern en el dispositivo 10-SL MnBi2Te4. (C), (d) Evolución de la temperatura del estado del aislante de Chern de alto número de Chern (C =2). (e) Esquema C =2 Estado del aislador de Chern con dos estados de borde sin disipación. Los dos colores diferentes se utilizan para distinguir los SL MnBi2Te4 adyacentes. Esta figura está adaptada de https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa089 Crédito:Centro Internacional de Materiales Cuánticos, Escuela de Física, Universidad de Peking
Los investigadores fabricaron varios MnBi 2 Te 4 dispositivos con diferentes espesores. En 9-SL y 10-SL MnBi 2 Te 4 dispositivos, se observa una meseta de resistencia de Hall con una altura de h / 2e2 acompañada de una resistencia longitudinal casi desapareciendo mediante la aplicación de un campo magnético perpendicular de 5 T, que es característico del aislador Chern con dos estados de borde sin disipación (C =2) (Fig. 1b). Más interesante aún, el estado del aislador C =2 Chern en 10-SL MnBi 2 Te 4 dispositivo puede sostener por encima de 10 K (Figs. 1c, D). Este es el primer descubrimiento experimental de múltiples estados de borde sin disipación por encima de la temperatura del helio líquido.
Los investigadores estudiaron más a fondo la influencia del grosor de MnBi 2 Te 4 dispositivos en el número de Chern. En 7-SL y 8-SL MnBi 2 Te 4 dispositivos, una meseta de resistencia Hall cuantificada h / e2 que acompaña con una resistencia longitudinal casi desapareciendo, es decir, se observa el estado del aislador Chern con C =1. Más importante, la meseta de Hall muestra una resistencia casi cuantificada incluso a 45 K en 7-SL MnBi 2 Te 4 dispositivo (Figs. 2a-c) y por encima de 30 K en 8-SL MnBi 2 Te 4 dispositivo (Figs. 2d-f), que son obviamente más altas que la temperatura de Néel (aproximadamente 22 K) de MnBi 2 Te 4 dispositivos.
Los estados del aislador Chern observados de alto número de Chern y de alta temperatura requieren la aplicación de un campo magnético débil debido a la naturaleza antiferromagnética de MnBi 2 Te 4 en campo magnético cero. Como el QHE ordinario también puede dar lugar a una meseta de resistencia de Hall cuantificada y una resistencia longitudinal de desaparición, es necesario excluir la influencia de los niveles de Landau (LL) inducidos por el campo magnético externo en los hallazgos. Los investigadores estimaron en primer lugar la movilidad de MnBi 2 Te 4 dispositivos, que se encuentra en un rango de 100 a 300 cm 2 V −1 s −1 . Esta baja movilidad requiere un campo magnético externo superior a 30 T para que se observe QHE con LL, que es mucho más alto que el campo magnético de cuantificación en nuestro MnBi 2 Te 4 dispositivos. Los investigadores demostraron además que el signo del número de Chern permanece sin cambios con el tipo de portador cuando se aplican voltajes de puerta trasera. excluyendo inequívocamente la posibilidad del QHE ordinario con LLs.
(a) - (c) Estado del aislante Chern de alta temperatura en el dispositivo 7-SL MnBi2Te4. (d) - (f) Estado del aislante Chern de alta temperatura en el dispositivo 8-SL MnBi2Te4. Esta figura es de https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa089 Crédito:Centro Internacional de Materiales Cuánticos, Escuela de Física, Universidad de Peking
El origen de los estados observados del aislador de Chern se revela mediante cálculos teóricos. MnBi ferromagnético 2 Te 4 se predice que es el semimetal magnético de Weyl más simple, que posee solo un par de puntos Weyl (WP) cerca del nivel Fermi. El confinamiento cuántico conduce al estado del aislante de Chern y al número de Chern dependiente de la capa en MnBi de pocas capas 2 Te 4 , permitiendo la existencia de múltiples estados de borde sin disipación en la banda prohibida a granel, lo cual es consistente con los hallazgos experimentales. El descubrimiento del estado de aislante Chern de alto número Chern también proporciona evidencia experimental de una manera para el estado semimetálico magnético de Weyl en MnBi 2 Te 4 .
Los estados del aislante Chern de alto número de Chern y de alta temperatura descubiertos en los materiales topológicos magnéticos intrínsecos estimularán la exploración en QAHE a temperaturas más altas e incluso a temperatura ambiente. y allanar el camino para grandes avances en física, ciencia de materiales y tecnología de la información.
El documento titulado "Efecto Hall cuántico de alto número de Chern y alta temperatura sin niveles de Landau", "se publicó en línea en Revista Nacional de Ciencias .
