Los huecos de banda observados y el esquema correspondiente en el aislante ferromagnético 2D (izquierda) y el aislante QAH MNBI 2 TE 4 (Derecha). Crédito:FLOTA
Un aislante topológico magnético intrínseco MNBI 2 TE 4 se ha descubierto con una gran banda prohibida, lo que lo convierte en una plataforma de materiales prometedora para fabricar productos electrónicos de energía ultrabaja y observar fenómenos topológicos exóticos.
Alojando magnetismo y topología, ultrafino (solo varios nanómetros de espesor) MNBI 2 TE 4 se encontró que tenía una gran banda prohibida en un estado de aislamiento de Quantum Anomalous Hall (QAH), donde el material es metálico (es decir, eléctricamente conductor) a lo largo de sus bordes unidimensionales, mientras que aisla eléctricamente en su interior. La resistencia casi nula a lo largo de los bordes 1D de un aislante QAH, lo hacen prometedor para aplicaciones de transporte sin pérdidas y dispositivos de energía ultrabaja.
Historia de QAH:cómo lograr el efecto deseado
Previamente, el camino hacia la realización del efecto QAH fue introducir cantidades diluidas de dopantes magnéticos en películas ultrafinas de aislantes topológicos 3D.
Sin embargo, El dopaje magnético diluido da como resultado una distribución aleatoria de impurezas magnéticas, causando un dopaje y magnetización no uniformes. Esto suprime en gran medida la temperatura a la que se puede observar el efecto QAH y limita las posibles aplicaciones futuras.
Una opción más sencilla es utilizar materiales que alberguen este estado electrónico de la materia como una propiedad intrínseca.
Recientemente, han surgido clases de cristales atómicamente delgados, similar al famoso grafeno, que son aislantes topológicos magnéticos intrínsecos (es decir, poseen magnetismo y protección topológica).
Estos materiales tienen la ventaja de tener menos desorden y mayores bandas magnéticas, permitiendo robustas fases topológicas magnéticas que operan a mayor temperatura (es decir, más cerca del objetivo final del funcionamiento a temperatura ambiente).
"En los laboratorios de FLEET en la Universidad de Monash, cultivamos películas ultrafinas de un aislante topológico magnético intrínseco MNBI 2 TE 4 e investigó su estructura de banda electrónica, "explica el autor principal, el Dr. Chi Xuan Trang.
Cuidado con la brecha:como observar la banda prohibida en un aislante topológico magnético
El magnetismo introducido en los materiales aislantes topológicos rompe la simetría de inversión del tiempo en el material, resultando en la apertura de un espacio en el estado de la superficie del aislante topológico.
Observando la transición de fase de la fase del aislador QAH (izquierda) a la fase TI sin gap paramagnético (derecha), cuando está por encima de la temperatura de pedido magnética. Crédito:FLOTA
"Aunque no podemos observar directamente el efecto QAH usando espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES), podemos usar esta técnica para probar el tamaño de una abertura de banda prohibida en la superficie de MNBI 2 TE 4 y cómo evoluciona con la temperatura, "dice el Dr. Trang, quien es investigador en FLEET.
En un aislante topológico magnético intrínseco, como MNBI 2 TE 4 , Existe una temperatura crítica de ordenación magnética en la que se predice que el material sufrirá una transición de fase topológica de aislante QAH a aislante topológico paramagnético.
"Al utilizar la fotoemisión resuelta en ángulo a diferentes temperaturas, podríamos medir la banda prohibida en MNBI 2 TE 4 apertura y cierre para confirmar la transición de fase topológica y la naturaleza magnética de la banda prohibida, "dice Qile Li, estudiante de doctorado de FLEET y coautor principal del estudio.
"La banda prohibida de la película ultrafina MBT también puede cambiar en función del grosor, y observamos que un MNBI de una sola capa 2 TE 4 es un aislante ferromagnético 2D de banda ancha. Una sola capa de MBT como ferromagnet 2D también podría usarse en magnetización de proximidad cuando se combina en una heteroestructura con un aislante topológico ", dice Qile Li.
"Al combinar nuestras observaciones experimentales con los cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) de primeros principios, podemos confirmar la estructura electrónica y el tamaño de la brecha del MNBI dependiente de la capa 2 TE 4 , "dice FLEET AI y el líder del grupo, Dr. Mark Edmonds.
Aplicaciones del aislante topológico magnético intrínseco MNBI 2 TE 4
MNBI 2 TE 4 tiene potencial en una serie de aplicaciones informáticas clásicas, como en el transporte sin pérdidas y los dispositivos de energía ultrabaja. Es más, podría combinarse con un superconductor para dar lugar a estados de borde quirales de Majorana, que son importantes para los esquemas de dispositivos de computación cuántica topológica.
El estudio
Los investigadores de FLEET utilizaron espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES), and density functional theory (DFT) calculations to study the electronic state and band structure of MNBI 2 TE 4 .
Crossover from 2D Ferromagnetic Insulator to Wide Band Gap Quantum Anomalous Hall Insulator in Ultrathin MNBI 2 TE 4 was published in August 2021 in ACS Nano.
Ultrathin MNBI 2 TE 4 film's recipe in this study was initially found in Edmonds Electronic Structure laboratory at Monash University. Después, the ultrathin films were grown and characterized using ARPES measurements at the Advanced Light Source (Lawrence Berkeley National Laboratory) in California.
