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磁性拓扑绝缘子变干净

MnBi2Te4_DiracSurfaceStates2特4 measured with angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES), which demonstrates that the material is a 3D topological insulator。图片提供:K He" />
MnBi的狄拉克表面态24。图片提供:K He

研究人员发现了第一个固有的磁性拓扑绝缘体-一种具有固有的磁性顺序和拓扑绝缘体特性的化学计量化合物。材料MnBi24由五倍的Bi制成2层和MnTe双层可能是研究异乎寻常的量子现象(如量子异常霍尔效应(QAHE))和高温下的轴生绝缘子等量子相的理想平台。

拓扑绝缘体在总体上是电绝缘体,但可以通过特殊的,受拓扑保护的电子状态在其表面上极好地导电,因此得名。预计这些材料将表现出各种奇特的量子效应,但是其中许多效应只有在引入磁性的情况下才会发生。一个例子是QAHE,它是一种量子霍尔效应,可以在没有施加磁场的情况下发生。

在表现出QAHE的拓扑绝缘体中,电子只能沿一个方向传播,而不会反向散射。这意味着它们可以以接近零的能量耗散携带电流,因此将来可用于制造节能的电子设备。拓扑绝缘子通常需要掺杂磁性杂质,以将磁性引入其中,但这也会引入强烈的无序性。

“这种“肮脏”的材料是研究人员研究其中量子效应的噩梦,”解释说 克和北京清华大学。 “严重失调的另一个后果是QAHE出现的温度极低-约为0.1K。”

本征磁性拓扑绝缘子是化学计量的

他补充说,本征磁性拓扑绝缘体解决了这个问题,因为它是化学计量的,并且有序排列的磁性原子。 “我们现在已经发现了这种材料–具有插入磁性层的拓扑绝缘体。”

研究人员使用分子束外延生长MnBi。24 电影。这项技术使他们能够精确地控制薄膜厚度-原则上约为一个原子层-并最大程度地减少环境污染。

“对于MnBi24,我们的程序有点特殊。”他解释说。 “我们重复存入一个单位的Bi2(包括五个原子层)和一个MnTe单元(包括两个原子层)。这导致MnBi24 自发形成-我们在高分辨率透射电子显微镜图像中证实了这一点。”

狄拉克锥面

他补充说,这些薄膜还具有狄拉克锥形状的表面状态,这是3D拓扑绝缘体的特征。狄拉克锥是材料电子带结构中的一个特征,其中导带和价带在一个点上会合。这些锥体中的电子的行为就好像它们是没有静止质量的相对论粒子,以极高的速度穿过材料—例如,可以利用这种特性来制造超快晶体管。

这些薄膜也是磁性的,这意味着它们可以表现出QAHE。

他说:“我们的理论同事还发现了几种不同的拓扑相,它们可能存在于具有不同厚度和磁性结构的材料中。” “因此,该材料为我们提供了研究物质各种拓扑状态的理想平台。”

高温下的量子效应

他补充说,本征磁性拓扑绝缘膜比它们的磁性掺杂对应物更有序,因此可能会在较高温度下产生量子效应。 “实际上,最近有两个小组在材料的片状剥落样品中观察到了1.5 K的QAHE,与最佳的磁性掺杂拓扑绝缘子样品相比,该结果很好。我相信,通过进一步优化样品质量,我们可以达到更高的温度。”

他解释说,这种系统可以通过在拓扑绝缘体上沉积超导体来探索手性马约拉纳模式。马约拉那模式具有零电荷并且是它们自己的反粒子,与常规费米子(例如电子(服从费米-狄拉克统计))不同,马约拉那零模式服从“非阿贝尔”统计。这意味着它们可以用在量子计算应用中,因为粒子中编码的量子信息将具有很高的抗退相干性,而退相干性是任何实用的量子计算机所必需的。

“尽管研究人员试图在磁性掺杂的拓扑绝缘体-超导体结中观察到这些模式,但材料中的强烈紊乱使解释数据变得困难,” He说。 “我们的本征磁性拓扑绝缘体在这里可能会更好。”

拓扑磁电效应

锰铋24 他还补充说,它也可能成为轴突的绝缘体-轴突的固态版本,这是高能物理中非常有趣的基本粒子。预计轴突绝缘体会显示拓扑磁电效应。这与通常的磁电效应不同,因为耦合的电场和磁场是共线的(而不是彼此垂直),并与量化系数相关。这种特殊效果可能有一些重要的应用,也可能对计量产生影响。

研究人员报告了他们在 下巴。物理莱特。 10.1088 / 0256-307X / 36/7/076801他们说,他们现在将研究其他本征磁性拓扑绝缘体,并希望在较厚的磁性层中找到效果。他说:“由于自旋波动比目前的单原子层样品要弱得多,因此这种材料的铁磁性应该更稳定,因此可以在比我们当前工作描述的更高的温度下显示QAHE。”他告诉我:“我想这个温度可能会超过液氮温度(77 K)。” 物理世界.

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者