Home Notizie recenti Fare un “sandwich” con magneti e isolanti topologici mostra il potenziale per...

Fare un “sandwich” con magneti e isolanti topologici mostra il potenziale per l’elettronica senza perdite

179
0

Quando due ferromagneti sono posizionati sulla superficie superiore e inferiore di un isolante topologico, si apre uno spazio vuoto nello stato superficiale topologico, mentre il bordo consente agli elettroni di fluire senza resistenza. Credito: Università di Monash

Un team di ricerca guidato dalla Monash University ha scoperto che una struttura che comprende un isolante topologico ultrasottile inserito tra due isolanti ferromagnetici 2D diventa un isolante di Hall anomalo quantistico a banda larga.

Tale eterostruttura fornisce una strada verso l’elettronica del futuro a bassissima energia, o persino il fotovoltaico topologico.

Isolante topologico: Il riempimento del sandwich

Nella nuova eterostruttura dei ricercatori, un materiale ferromagnetico costituisce il “pane” del sandwich, mentre un isolante topologico (cioè un materiale che mostra una topologia non banale) prende il posto del “ripieno”.

La combinazione di magnetismo e topologia a banda non banale dà origine a isolanti di Hall quantistica anomala (QAH), nonché a fasi quantistiche esotiche come l’effetto QAH in cui la corrente scorre senza dissipazione lungo stati di bordo quantizzati.

L’induzione dell’ordine magnetico negli isolanti topologici tramite la vicinanza a un materiale magnetico offre un percorso promettente per ottenere l’effetto QAH a temperature più elevate (avvicinandosi o superando la temperatura ambiente) per applicazioni di trasporto senza perdite.

Un’architettura promettente prevede una struttura sandwich comprendente due strati singoli di MnBi2Voi4 (un isolante ferromagnetico 2D) su entrambi i lati del Bi ultrasottile2Voi3 nel mezzo (un isolante topologico). Si prevede che questa struttura produca una robusta fase isolante QAH con un gap di banda ben al di sopra dell’energia termica disponibile a temperatura ambiente (25 meV).

Il nuovo studio condotto da Monash ha dimostrato la crescita di un MnBi2Voi4 /Bi2Voi3 /MnBi2Voi4 eterostruttura tramite l’epitassia del fascio molecolare e ha sondato la struttura elettronica della struttura utilizzando la spettroscopia fotoelettronica a risoluzione angolare.

“Abbiamo osservato fermioni di Dirac forti, deformati in modo esagonale e un gap di banda di 75 meV”, afferma l’autore principale Monash, candidato al dottorato di ricerca Qile Li.

Realizzare un

Le misurazioni della spettroscopia fotoelettronica con risoluzione angolare consentono la misurazione diretta della dimensione dell’apertura del gap di banda nello stato superficiale topologico, nonché la visualizzazione della forza della deformazione esagonale. Credito: Università di Monash

L’origine magnetica del gap è stata confermata dall’osservazione del bandgap che scompare al di sopra della temperatura di Curie, così come dalla simmetria di inversione temporale rotta e dall’effetto di scambio-Rashba, in ottimo accordo con i calcoli della teoria del funzionale della densità.

“Questi risultati forniscono informazioni sugli effetti di prossimità magnetica negli isolanti topologici, che sposteranno il trasporto senza perdite negli isolanti topologici verso temperature più elevate”, afferma il dott. Mark Edmonds, capogruppo di Monash e autore principale.

Come funziona

Il 2D MnBi2Voi4 i ferromagneti inducono un ordine magnetico (cioè un’interazione di scambio con gli elettroni di Dirac 2D) nell’isolante topologico ultrasottile Bi2Voi3 tramite prossimità magnetica.

Questo crea un grande gap magnetico, con l’eterostruttura che diventa un isolante quantistico di Hall (QAH), tale che il materiale diventa metallico (cioè, elettricamente conduttivo) lungo i suoi bordi unidimensionali, pur rimanendo elettricamente isolante al suo interno. La resistenza quasi nulla lungo i bordi 1D dell’isolante QAH è ciò che lo rende un percorso così promettente verso l’elettronica a bassa energia di prossima generazione.

Ad oggi, sono state utilizzate diverse strategie per realizzare l’effetto QAH, come l’introduzione di quantità diluite di droganti magnetici in film ultrasottili di isolanti topologici 3D. Tuttavia, l’introduzione di droganti magnetici nel reticolo cristallino può essere difficile e provocare disordine magnetico, che sopprime notevolmente la temperatura alla quale è possibile osservare l’effetto QAH e limita le applicazioni future.

Piuttosto che incorporare metalli di transizione 3D nel reticolo cristallino, una strategia più vantaggiosa consiste nel posizionare due materiali ferromagnetici sulle superfici superiore e inferiore di un isolante topologico 3D. Ciò interrompe la simmetria di inversione temporale nell’isolante topologico con ordine magnetico, e quindi apre un gap di banda nello stato superficiale dell’isolante topologico e dà origine a un isolante QAH.

Fare il giusto tipo di panino

Tuttavia, indurre un ordine magnetico sufficiente per aprire uno spazio vuoto considerevole tramite effetti di prossimità magnetici è impegnativo a causa dell’influenza indesiderata del potenziale di interfaccia improvviso che si verifica a causa della mancata corrispondenza del reticolo tra i materiali magnetici e l’isolante topologico.

Realizzare un

Un transistor topologico proposto utilizzerebbe percorsi senza perdite che scorrono sui bordi di un isolante topologico. Credito: Università di Monash

“Per ridurre al minimo il potenziale dell’interfaccia durante l’induzione dell’ordine magnetico tramite la prossimità, dovevamo trovare un ferromagnete 2D che possedesse proprietà chimiche e strutturali simili all’isolante topologico 3D”, afferma Qile Li, che è anche uno studente di dottorato presso l’Australian Research Centro del Consiglio per l’eccellenza nelle future tecnologie elettroniche a basso consumo energetico (FLEET).

“In questo modo, invece di un brusco potenziale di interfaccia, c’è un’estensione magnetica dello stato superficiale topologico nello strato magnetico. Questa forte interazione si traduce in una significativa scissione di scambio nello stato superficiale topologico del film sottile e apre un ampio spazio, “dice Li.

Uno strato a settuplo singolo dell’isolante topologico magnetico intrinseco MnBi2Voi4 è particolarmente promettente, in quanto è un isolante ferromagnetico con una temperatura di Curie di 20 K.

“Soprattutto, questa configurazione è strutturalmente molto simile al noto isolante topologico 3D Bi2Voi3con una mancata corrispondenza del reticolo di solo l’1%”, afferma il dottor Mark Edmonds, che è un ricercatore associato in FLEET.

Il team di ricerca si è recato alla parte Advanced Light Source del Lawrence Berkeley National Laboratory a Berkeley, negli Stati Uniti, dove ha sviluppato le eterostrutture ferromagnete/topologiche/ferromagnete e ha studiato la loro struttura a banda elettronica in collaborazione con lo scienziato del personale della linea di luce Dr. Sung-Kwan Mo.

“Sebbene non possiamo osservare direttamente l’effetto QAH utilizzando la spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta (ARPES), potremmo utilizzare questa tecnica per sondare la dimensione dell’apertura del gap di banda e quindi confermare che è di origine magnetica”, afferma il dott. Edmonds.

“Usando la fotoemissione risolta in angolo potremmo anche sondare la deformazione esagonale allo stato superficiale. Si scopre che la forza della deformazione nei fermioni di Dirac nella nostra eterostruttura è quasi il doppio di quella in Bi2Voi3“, afferma il dottor Edmonds

Il team di ricerca è stato anche in grado di confermare la struttura elettronica, la dimensione del gap e la temperatura alla quale questo MnBi2Voi4/Bi2Voi3/MnBi2Voi4 è probabile che l’eterostruttura supporti l’effetto QHE combinando osservazioni sperimentali ARPES con misurazioni magnetiche per determinare la temperatura di Curie (eseguita dal ricercatore associato della FLEET Dr. David Cortie presso l’Università di Wollongong) e calcoli della teoria del funzionale della densità dei primi principi eseguiti dal gruppo di Dr. Shengyuan Yang (Università di Tecnologia e Design di Singapore).

La crescita di questa eterostruttura è stata inizialmente trovata nell’Edmonds Electronic Structure Laboratory della Monash University. Successivamente, i film di eterostruttura sono stati coltivati ​​e caratterizzati utilizzando misurazioni ARPES presso l’Advanced Light Source (Lawrence Berkeley National Laboratory) in California.

Lo studio, “Large magnetic gap in a designer ferromagnet-topological insulator-ferromagnet heterostructure”, è stato pubblicato in Materiale avanzato nel marzo 2022.


Fornito da FLOTTA

Articolo precedenteLa scienza dietro le finestre a ghigliottina e come ventilano le nostre case
Articolo successivoLa “terapia diretta dall’ospite” potrebbe curare le malattie infettive, incluso il COVID, e limitare la resistenza ai farmaci