Un isolant topologique magnétique intrinsèque MNBI 2 TE 4 a été découvert avec une large bande interdite, ce qui en fait une plate-forme matérielle prometteuse pour la fabrication d'électronique à très basse énergie et l'observation de phénomènes topologiques exotiques.

Hébergeant à la fois le magnétisme et la topologie, ultra-mince (seulement quelques nanomètres d'épaisseur) MNBI 2 TE 4 s'est avéré avoir une large bande interdite dans un état isolant Quantum Anomalou Hall (QAH), où le matériau est métallique (c'est-à-dire, électriquement conducteur) le long de ses bords unidimensionnels, tout en isolant électriquement à l'intérieur. La résistance presque nulle le long des bords 1D d'un isolant QAH, le rendent prometteur pour les applications de transport sans perte et les dispositifs à très faible consommation d'énergie.

Histoire de QAH:comment obtenir l'effet souhaité

Précédemment, la voie vers la réalisation de l'effet QAH consistait à introduire des quantités diluées de dopants magnétiques dans des films ultra-minces d'isolants topologiques 3D.

Cependant, le dopage magnétique dilué entraîne une répartition aléatoire des impuretés magnétiques, provoquant un dopage et une magnétisation non uniformes. Cela supprime considérablement la température à laquelle l'effet QAH peut être observé et limite les applications futures possibles.

Une option plus simple consiste à utiliser des matériaux qui hébergent cet état électronique de la matière en tant que propriété intrinsèque.

Récemment, des classes de cristaux atomiquement minces ont émergé, semblable au célèbre graphène, qui sont des isolants topologiques magnétiques intrinsèques (c'est-à-dire, possèdent à la fois un magnétisme et une protection topologique).

Ces matériaux ont l'avantage d'avoir moins de désordre et des bandes interdites magnétiques plus importantes, permettant des phases topologiques magnétiques robustes fonctionnant à une température plus élevée (c'est-à-dire, plus proche de l'objectif ultime de fonctionnement à température ambiante).

"Dans les laboratoires de FLEET à l'Université Monash, nous avons développé des films ultra-minces d'un isolant topologique magnétique intrinsèque MNBI 2 TE 4 et étudié leur structure de bande électronique, " explique l'auteur principal, le Dr Chi Xuan Trang.

Attention à l'écart :comment observer la bande interdite dans un isolant topologique magnétique

Le magnétisme introduit dans les matériaux topologiques-isolants brise la symétrie d'inversion du temps dans le matériau, entraînant l'ouverture d'un écart dans l'état de surface de l'isolant topologique.

"Bien que nous ne puissions pas observer directement l'effet QAH en utilisant la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES), nous pouvons utiliser cette technique pour sonder la taille d'une ouverture de bande interdite à la surface du MNBI 2 TE 4 et comment il évolue avec la température, " dit le Dr Trang, qui est chercheur à FLEET.

Dans un isolant topologique magnétique intrinsèque, comme le MNBI 2 TE 4 , il y a une température d'ordre magnétique critique où le matériau est prédit pour subir une transition de phase topologique d'un isolant QAH à un isolant topologique paramagnétique.

"En utilisant la photoémission à résolution angulaire à différentes températures, nous pourrions mesurer la bande interdite dans MNBI 2 TE 4 ouverture et fermeture pour confirmer la transition de phase topologique et la nature magnétique de la bande interdite, ", déclare Qile Li, étudiant au doctorat de FLEET et co-auteur principal de l'étude.

"Les bandes interdites des MBT à film ultrafin peuvent également changer en fonction de l'épaisseur, et nous avons observé qu'une seule couche MNBI 2 TE 4 est un isolant ferromagnétique 2D à large bande interdite. Une seule couche de MBT en tant que ferromagnétique 2D pourrait également être utilisée en magnétisation de proximité lorsqu'elle est combinée dans une hétérostructure avec un isolant topologique", explique Qile Li.

"En combinant nos observations expérimentales avec les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) des premiers principes, nous pouvons confirmer la structure électronique et la taille de l'intervalle du MNBI dépendant de la couche 2 TE 4 , " déclare FLEET AI et chef de groupe, le Dr Mark Edmonds.

Applications de l'isolant topologique magnétique intrinsèque MNBI 2 TE 4

MNBI 2 TE 4 a un potentiel dans un certain nombre d'applications informatiques classiques, comme dans le transport sans perte et les dispositifs à très faible consommation d'énergie. Par ailleurs, il pourrait être couplé à un supraconducteur pour donner naissance à des états de bord de Majorana chiraux, qui sont importants pour les schémas de dispositifs informatiques quantiques topologiques.

L'étude

Les chercheurs de FLEET ont utilisé la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES), and density functional theory (DFT) calculations to study the electronic state and band structure of MNBI 2 TE 4 .

Crossover from 2D Ferromagnetic Insulator to Wide Band Gap Quantum Anomalous Hall Insulator in Ultrathin MNBI 2 TE 4 was published in August 2021 in ACS Nano.

Ultrathin MNBI 2 TE 4 film's recipe in this study was initially found in Edmonds Electronic Structure laboratory at Monash University. Après, the ultrathin films were grown and characterized using ARPES measurements at the Advanced Light Source (Lawrence Berkeley National Laboratory) in California.