La topologie des bandes non triviales peut se combiner avec l'ordre magnétique dans un isolant topologique magnétique pour produire des états exotiques de la matière tels que les isolants Hall anomal quantique (QAH) et les isolants axions. Un objectif de la physique de la matière condensée est de trouver de nouveaux matériaux avec des propriétés utiles et d'appliquer la mécanique quantique pour les étudier. Le domaine a permis aux physiciens de mieux comprendre les utilisations des aimants pour le stockage de données sur disque dur, écrans d'ordinateur et d'autres technologies. La récente découverte d'isolants topologiques a suscité un large intérêt et les chercheurs prédisent que l'interaction entre le ferromagnétisme et l'état de l'isolant topologique peut réaliser une gamme de phénomènes magnétiques quantiques exotiques d'intérêt pour la physique fondamentale et les applications de dispositifs.

Dans un nouveau rapport, Yujun Deng et une équipe de recherche des départements de physique et de physique de la matière quantique en Chine, transport quantique sondé dans un flocon mince MnBi 2 Te 4 isolant topologique, avec ordre magnétique intrinsèque. Les couches ferromagnétiques couplées anti-parallèlement les unes aux autres dans le MnBi atomiquement mince 2 Te 4 cristal van der Waals en couches. Cependant, l'échantillon est devenu ferromagnétique lorsqu'il contenait un nombre impair de couches septuples. L'équipe de recherche a observé l'effet QAH à champ zéro dans un spécimen à cinq septuples à 1,4 Kelvin. Les résultats établis MnBi 2 Te 4 comme une plate-forme idéale pour explorer des phénomènes topologiques exotiques avec une symétrie d'inversion du temps spontanément brisée. L'ouvrage est désormais publié sur Science .

Les matériaux topologiques contiennent distinctement des états quantiques protégés topologiquement qui sont robustes contre les détresses locales. Par exemple, dans un isolant topologique (TI) tel que le tellurure de bismuth (Bi 2 Te 3 ), la topologie de la bande massive peut garantir l'existence d'états de surface bidimensionnels (2-D) avec une dispersion de Dirac sans faille. En introduisant du magnétisme dans les isolants topologiques invariants (TI) initialement invariants dans le temps, les scientifiques peuvent induire de profonds changements dans leur structure électronique. Par exemple, d'observer expérimentalement l'effet QAH dans des produits dopés au chrome (Bi, Sb) 2 Te 3 , les physiciens devaient contrôler avec précision le rapport de plusieurs éléments dans un matériau non stoechiométrique. Le réglage fin du matériel nécessitait de concilier des demandes contradictoires et, par conséquent, les chercheurs ont dû quantifier avec précision l'effet Hall anormal uniquement à des températures allant jusqu'à T =2 K, bien en dessous de la température de Curie et de l'écart d'échange dans le matériau. Pour explorer plus avant les riches phénomènes topologiques et leurs applications potentielles, les chercheurs doivent utiliser des TI magnétiques intrinsèques (isolants topologiques) avec un ordre magnétique inné pour étudier leurs effets topologiques dans des cristaux vierges.

Dans ce travail, Deng et al. transport quantique sondé dans des flocons atomiquement minces de l'isolant topologique magnétique intrinsèque MnBi 2 Te 4. Le matériau contenait un composé de tétradymite ternaire en couches contenant des couches septuples (Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te). Le MnBi résultant 2 Te 4 le cristal était intrinsèquement magnétique et le magnétisme provenait de Mn ²⁺ ions dans le cristal. Ils ont étudié des flocons minces de MnBi 2 Te 4. pour minimiser la conduction en vrac parallèle et axé sur MnBi 2 Te 4 flocons contenant un nombre impair de couches.

L'équipe a commencé avec du MnBi de haute qualité 2 Te 4 cristaux cultivés à l'aide d'une méthode de flux pour obtenir du MnBi atomiquement mince 2 Te 4 via Al 2 O 3 -exfoliation assistée. Pour y parvenir, ils ont thermiquement évaporé Al 2 O 3 film mince sur une surface fraîchement préparée du cristal en vrac, a soulevé le vrac à l'aide d'un ruban de dégagement thermique puis a libéré l'Al combiné 2 O 3 /MnBi 2 Te 4 empiler sur un morceau de polydiméthylsiloxane transparent (PDMS) pour une inspection microscopique. Après, ils ont estampé les flocons minces sur une plaquette de silicium recouverte de SiO 2 , suivi d'un dépôt de contacts Cr/Au pour les mesures de transport. L'équipe a terminé le processus dans une boîte hermétique pour empêcher l'exposition de l'échantillon à l'oxygène (O 2 ) et de l'eau (H 2 O) pour atténuer la dégradation de l'échantillon. Ils ont ensuite étudié de manière approfondie le riche ensemble d'états magnétiques pour les échantillons à quelques couches.

Deng et al. observé un effet QAH bien développé à champ magnétique nul dans un MnBi à cinq couches 2 Te 4 d'une qualité d'échantillon nettement améliorée. Ils ont noté qu'un champ magnétique externe a encore amélioré la quantification en alignant les couches ferromagnétiques. L'alignement ferromagnétique a également amélioré la robustesse de l'effet QAH contre les fluctuations thermiques. A champ magnétique nul, ils ont obtenu un gap énergétique supérieur à la valeur des couches minces de Ti dopé magnétiquement, bien qu'encore beaucoup plus faible que l'écart de change attendu pour MnBi 2 Te 4 .

La bande interdite n'a pas mesuré directement la bande interdite des états de surface dans le cristal, mais caractérisé l'énergie minimale requise pour exciter un électron de la valence à la bande de conduction. Par exemple, une grande différence entre la bande interdite et la bande interdite prédite impliquait divers troubles dans l'échantillon. Par conséquent, il y a beaucoup de place pour augmenter encore l'échelle d'énergie de l'effet QAH en parfait état, MnBi de haute qualité 2 Te 4 échantillons.

Une fois que le champ magnétique externe appliqué a complètement polarisé l'échantillon à cinq couches, la bande interdite diminue avec l'augmentation du champ magnétique. Les états QAH ont progressivement évolué dans la configuration expérimentale, offrant un aperçu de la structure électronique des bandes de surface en dehors de la bande interdite. Deng et al. compris tous les états observés dans l'étude d'un point de vue unifié. Les mesures de Hall près du champ magnétique nul donnent une efficacité de grille de 5 x 10 ^dix cm ^-2 /V, ce qui correspond bien à l'efficacité estimée à partir de la géométrie du dispositif. Depuis MnBi 2 Te 4 est un matériau stratifié, l'équipe s'attend à ce que les techniques développées pour les matériaux 2D soient applicables au MnBi 2 Te 4 . De cette façon, Yujun Deng et ses collègues prévoient que les hétérostructures de van der Waals intégrant MnBi 2 Te 4 avec d'autres matériaux 2D magnétiques/supraconducteurs fournira un terrain fertile pour explorer davantage les phénomènes quantiques topologiques exotiques.

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