边缘上的电子:一个固有磁性拓扑绝缘体| ARC未来低能电子技术卓越中心的故事

第一作者Chi Xuan Trang博士(FLEET/Monash)是拓扑材料分子束外延生长(MBE)和角度分辨光电发射光谱(ARPES)方面的专家。雷竞技苹果版

一种内禀磁性拓扑绝缘体MnBi₂Te₄被发现具有较大的带隙，使其成为制造超低能电子产品和观察奇异拓扑现象的有前途的材料平台。

同时具有磁性和拓扑结构，超薄(厚度只有几纳米)MnBi₂Te₄被发现在量子反常霍尔(QAH)绝缘状态下有一个大的带隙，在这种状态下，材料沿其一维边缘是金属的(即导电)，而在其内部是电绝缘的。QAH绝缘体的1D边缘几乎为零电阻，使其有望用于无损传输应用和超低能量设备。

以前，实现QAH效应的途径是将稀释量的磁掺杂剂引入3D拓扑绝缘体的超薄膜中。

然而，稀磁掺杂导致磁性杂质随机分布，造成不均匀的掺杂和磁化。这极大地抑制了可以观察到QAH效应的温度，并限制了未来可能的应用。

二维铁磁绝缘子(左)和QAH绝缘子MnBi2Te4(右)中观察到的带隙及其原理图。

一个更简单的选择是使用具有这种电子状态的物质作为内在属性。

最近，出现了类似于著名的石墨烯的原子薄晶体，它们是固有磁性拓扑绝缘体(即兼具磁性和拓扑保护)。

这些材料的优点是具有较少的无序性和较大的磁带隙，允许稳健的磁拓扑相在更高的温度下工作(即更接近室温操作的最终目标)。

“在莫纳什大学的FLEET实验室，我们生长了一种本向磁性拓扑绝缘体MnBi的超薄薄膜₂Te₄并研究了它们的电子带结构，”首席作者Chi Xuan Trang博士解释道。

在拓扑绝缘体材料中引入的磁性打破了材料中的时间反转对称性，导致拓扑绝缘体表面状态打开了一个间隙。

“虽然我们不能使用角度分辨光电发射光谱(ARPES)直接观察QAH效应，但我们可以使用这种技术来探测MnBi表面带隙开口的大小₂Te₄以及它是如何随温度变化的。Trang博士说，他是FLEET的研究员。

在磁有序温度以上，观察从QAH绝缘体相(左)到顺磁无间隙TI相(右)的相变

在本征磁性拓扑绝缘体中，如MnBi₂Te₄时，存在临界磁有序温度，预测材料从QAH绝缘体向顺磁拓扑绝缘体发生拓扑相变。

“通过在不同温度下使用角度分辨的光电发射，我们可以测量MnBi的带隙₂Te₄打开和关闭，以确认拓扑相变和带隙的磁性性质，”FLEET博士生、该研究的联合主要作者李奇乐说。

“超薄膜MBT的带隙也可以作为厚度的函数而变化，我们观察到单层MnBi₂Te₄是一种宽带隙二维铁磁绝缘体。单层MBT作为二维铁磁体，当与拓扑绝缘体结合成异质结构时，也可用于接近磁化。李启乐说。

“通过将我们的实验观测与第一性原理密度泛函理论(DFT)计算相结合，我们可以确认与层相关的MnBi的电子结构和间隙大小₂Te₄FLEET AI和小组负责人Mark Edmonds博士说。

联合第一作者舰队博士生李启乐(舰队/莫纳什)。

MnBi₂Te₄在许多经典计算应用中具有潜力，如无损传输和超低能量器件。此外，它可以与超导体耦合产生手性马约拉纳边缘态，这对拓扑量子计算器件方案很重要。

FLEET研究人员使用角度分辨光电发射光谱(ARPES)和密度泛函理论(DFT)计算来研究MnBi的电子状态和带结构₂Te₄．

超薄MnBi₂Te₄这项研究中的薄膜配方最初是在莫纳什大学的埃德蒙兹电子结构实验室发现的。然后，超薄膜生长和表征使用ARPES测量在高级光源(劳伦斯伯克利国家实验室)。

这项研究是由澳大利亚研究理事会该校的卓越中心和DECRA奖学金项目，而前往伯克利的旅费是由澳大利亚同步加速器资助的。的资源上执行计算工作Monash计算集群,国家计算基础设施和Pawsey超级计算机设施．

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