用磁铁和拓扑绝缘体做一个“三明治”，潜在的无损电子产品

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  第一作者FLEET博士研究生李启乐(FLEET/Monash)。

  设计异质结构是一种潜在的高温qhe，其中拓扑材料夹在两个铁磁体之间

莫纳什大学领导的研究团队发现，由夹在两个2D铁磁绝缘体之间的超薄拓扑绝缘体组成的结构成为大带隙量子反常霍尔绝缘体。

这种异质结构为实现可行的超低能量未来电子产品，甚至拓扑光伏提供了途径。

拓扑绝缘体:夹芯中的填充物

在研究人员的新异质结构中，铁磁材料形成了三明治的“面包”，而拓扑绝缘体(即显示非平凡拓扑的材料)取代了“填充”。

结合磁性和非平凡带拓扑产生了量子反常霍尔(QAH)绝缘体，以及奇异的量子相，如QAH效应，其中电流沿量子化边缘态流动而不耗散。

通过接近磁性材料在拓扑绝缘体中诱导磁序，为在更高温度(接近或超过室温)实现QAH效应提供了有希望的途径，用于无损传输应用。

一种很有前途的结构包括由两层MnBi组成的三明治结构₂Te₄(一种二维铁磁绝缘体)超薄铋的两侧₂Te_3.在中间(拓扑绝缘体)。据预测，这种结构将产生一种坚固的QAH绝缘体相，其带隙远高于室温下可用的热能(25 meV)。

莫纳什大学领导的这项新研究证明了MnBi的增长₂Te₄/ Bi₂Te_3./ MnBi₂Te₄利用分子束外延法研究了异质结构，并利用角度分辨光电子能谱法研究了结构的电子结构。

“我们观察到强大的、六边形扭曲的大质量狄拉克费米子和75 meV的带隙，”莫纳什大学博士候选人李奇乐说。

通过观察带隙在居里温度以上的消失，以及时间反转对称性的破坏和交换-拉什巴效应，证实了间隙的磁起源，与密度泛函理论计算非常吻合。

“这些发现为拓扑绝缘体中的磁接近效应提供了见解，这将使拓扑绝缘体中的无损输运朝着更高的温度发展，”莫纳什大学小组负责人和主要作者Mark Edmonds博士说。

它是如何工作的

2D MnBi₂Te₄铁磁体在超薄拓扑绝缘体Bi中诱导磁序(即与二维Dirac电子的交换相互作用)₂Te_3.通过磁接近。

这就产生了一个巨大的磁隙，异质结构变成了一个量子反常霍尔(QAH)绝缘体，这样材料就会沿着其一维边缘变成金属(即导电)，同时在其内部保持电绝缘。QAH绝缘体的1D边缘几乎为零电阻，这使得它成为下一代低能电子产品的一个有前途的途径。

迄今为止，已有几种方法用于实现QAH效应，例如在3D拓扑绝缘体的超薄薄膜中引入稀释量的磁掺杂剂。然而，将磁性掺杂剂引入晶格可能具有挑战性，并导致磁性紊乱，这极大地抑制了可以观察到QAH效应的温度，并限制了未来的应用。

而不是合并3个d过渡金属进入晶格，更有利的策略是在三维拓扑绝缘体的顶部和底部表面放置两种铁磁材料。这打破了具有磁序的拓扑绝缘子中的时间反转对称性，从而在拓扑绝缘子的表面状态中打开了带隙，从而产生了QAH绝缘子。

做正确的三明治

然而，由于磁性材料和拓扑绝缘体之间的晶格失配引起的突发性界面电位的不受欢迎的影响，通过磁接近效应诱导足够的磁顺序来打开一个相当大的间隙是具有挑战性的。

澳大利亚研究委员会未来低能电子技术卓越中心(FLEET)的博士生李奇乐(Qile Li)说:“为了在通过接近诱导磁顺序时将界面电位降至最低，我们需要找到一种与3D拓扑绝缘体具有相似化学和结构性质的2D铁磁体。”

“这样，就不是突然的界面势，而是拓扑表面态的磁延伸到磁层中。这种强相互作用在薄膜的拓扑表面状态中导致了显著的交换分裂，并打开了一个大的间隙，”李说。

单七层本征磁性拓扑绝缘体MnBi₂Te₄特别有前途，因为它是一种铁磁绝缘体，居里温度为20k。

“更重要的是，这种设置在结构上与著名的3D拓扑绝缘体Bi非常相似₂Te_3.Mark Edmonds博士说，他是FLEET的副研究员。

研究小组前往美国伯克利劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源部分，在那里他们生长了铁磁/拓扑/铁磁异质结构，并与光束线科学家Sung-Kwan Mo博士合作研究了它们的电子带结构。

Edmonds博士说:“虽然我们不能使用角度分辨光电发射光谱(ARPES)直接观察到QAH效应，但我们可以使用这种技术来探测带隙开口的大小，然后确认它起源于磁性。”

“通过使用角度分辨的光电发射，我们还可以探测表面状态下的六边形翘曲。结果表明，在我们的异质结构中，狄拉克费米子的翘曲强度几乎是Bi中的两倍₂Te_3.埃德蒙兹博士说

研究团队还能够确认这种MnBi的电子结构、间隙大小和温度₂Te₄/ Bi₂Te_3./ MnBi₂Te₄通过结合实验ARPES观测和磁测量来确定居里温度(由FLEET副研究员David Cortie博士在伍伦贡大学完成)和由杨生元博士(新加坡科技与设计大学)小组完成的第一性原理密度函式理论计算，异质结构很可能支持QHE效应。

这项研究

这项研究设计的铁磁-拓扑绝缘体-铁磁异质结构中的大磁隙发表于2022年3月的《先进材料》(DOI:10.1002 / adma.202107520）.

这种异质结构的生长最初是在莫纳什大学的Edmonds电子结构实验室发现的。然后，异质结构薄膜生长和表征使用ARPES测量高级光源(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则由该校资助澳大利亚同步加速器．

更多的信息

• 联系Mark Edmonds博士(莫纳什大学)Mark.Edmonds@monash.edu
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