(a) y (b) muestran las estructuras de bandas electrónicas de Bi2Te3 y una muestra de aislante topológico magnético; la estructura del cono de Dirac es mucho más prominente en este último. (c) Los dos picos de fotoemisión resaltados y su fusión progresiva se atribuyeron al cierre de la brecha de CC a medida que aumenta la temperatura. Crédito:Nature Communications
Los científicos del Instituto de Tecnología de Tokio arrojaron luz sobre la relación entre las propiedades magnéticas de los aislantes topológicos y su estructura de banda electrónica. Sus resultados experimentales ofrecen nuevos conocimientos sobre los debates recientes sobre la evolución de la estructura de la banda con la temperatura en estos materiales. que exhiben fenómenos cuánticos inusuales y se prevé que sean cruciales en la electrónica de próxima generación, espintrónica, y computadoras cuánticas.
Los aislantes topológicos tienen la peculiar propiedad de ser eléctricamente conductores en la superficie pero aislantes en su interior. Esto aparentemente simple, La característica única permite que estos materiales alberguen una gran cantidad de fenómenos cuánticos exóticos que serían útiles para las computadoras cuánticas. espintrónica, y sistemas optoelectrónicos avanzados.
Para desbloquear algunas de las propiedades cuánticas inusuales, sin embargo, es necesario inducir magnetismo en aisladores topológicos. En otras palabras, Es necesario lograr algún tipo de "orden" en la forma en que los electrones del material se alinean entre sí. En 2017, Se propuso un método novedoso para lograr esta hazaña. Denominada 'extensión magnética, 'la técnica consiste en insertar una monocapa de un material magnético en la capa superior del aislante topológico, que evita los problemas causados por otros métodos disponibles como el dopaje con impurezas magnéticas.
Desafortunadamente, el uso de la extensión magnética dio lugar a preguntas complejas y respuestas contradictorias con respecto a la estructura de la banda electrónica de los materiales resultantes, que dicta los posibles niveles de energía de los electrones y, en última instancia, determina las propiedades conductoras del material. Se sabe que los aisladores topológicos exhiben lo que se conoce como un cono de Dirac (DC) en su estructura de banda electrónica que se asemeja a dos conos enfrentados. En teoria, la CC no tiene huecos para aisladores topológicos ordinarios, pero se abre al inducir el magnetismo. Sin embargo, la comunidad científica no se ha puesto de acuerdo sobre la correlación entre la brecha entre las dos puntas de los conos y las características magnéticas del material experimentalmente.
Se utilizaron imágenes de microscopía electrónica de transmisión de barrido junto con espectroscopía de dispersión de energía para determinar la composición atómica de las dos posibles estructuras de las muestras. Crédito:Nature Communications
En un esfuerzo reciente por resolver este asunto, Científicos de múltiples universidades e institutos de investigación llevaron a cabo un estudio colaborativo dirigido por el profesor asociado Toru Hirahara de Tokyo Tech, Japón. Fabricaron estructuras topológicas magnéticas depositando Mn y Te en Bi 2 Te 3 , un aislante topológico bien estudiado. Los científicos teorizaron que las capas adicionales de Mn interactuarían más fuertemente con Bi 2 Te 3 y que las propiedades magnéticas emergentes podrían atribuirse a cambios en la brecha de CC, como explica Hirahara:"Esperábamos que las fuertes interacciones magnéticas entre capas llevaran a una situación en la que la correspondencia entre las propiedades magnéticas y la brecha de CC fuera clara en comparación con estudios anteriores".
Examinando las estructuras de bandas electrónicas y las características de fotoemisión de las muestras, demostraron cómo la brecha de CC se cierra progresivamente a medida que aumenta la temperatura. Adicionalmente, analizaron la estructura atómica de sus muestras y encontraron dos configuraciones posibles, MnBi 2 Te 4 /Bi 2 Te 3 y Mn 4 Bi 2 Te 7 /Bi 2 Te 3 , el último de los cuales es responsable de la brecha de CC.
Sin embargo, Un hallazgo peculiarmente desconcertante fue que la temperatura a la que se cierra la brecha de CC está muy por encima de la temperatura crítica (TC), por encima del cual los materiales pierden su ordenamiento magnético permanente. Esto está en marcado contraste con estudios previos que indicaron que la brecha de CC aún puede abrirse a una temperatura más alta que la TC del material sin cerrarse. En esta nota, Hirahara comenta:"Nuestros resultados muestran, por primera vez, que la pérdida de orden magnético de largo alcance por encima del TC y el cierre de la brecha de CC no están correlacionados ".
Aunque se necesitarán más esfuerzos para aclarar la relación entre la naturaleza de la brecha de CC y las propiedades magnéticas, este estudio es un paso en la dirección correcta. Ojalá, Una comprensión más profunda de estos fenómenos cuánticos nos ayudará a aprovechar el poder de los aislantes topológicos para la electrónica de próxima generación y la computación cuántica.
