边缘电子本征磁拓扑绝缘体的故事

已发现具有大带隙的本征磁拓扑绝缘体 MNBI 2 TE 4，使其成为制造超低能电子器件和观察奇异拓扑现象的有前途的材料平台。拥有磁性和拓扑结构，超薄(只有几纳米的厚度)MNBI 2 TE 4被发现在量子反常霍尔 (QAH) 绝缘状态下具有大带隙，其中材料是金属的(即导电的) ) 沿其一维边缘，同时在其内部电绝缘。沿着 QAH 绝缘体的一维边缘的电阻几乎为零，使其有望用于无损传输应用和超低能耗设备。

QAH的历史：如何达到预期效果

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

然而，稀释的磁掺杂会导致磁性杂质的随机分布，从而导致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。

一个更简单的选择是使用将这种物质的电子状态作为内在属性的材料。

最近，出现了类似于著名的石墨烯的原子级薄晶体，它们是固有的磁性拓扑绝缘体(即，同时具有磁性和拓扑保护)。

这些材料的优势在于具有较少的无序和较大的磁带隙，允许在较高温度下运行稳健的磁性拓扑相(即更接近室温运行的最终目标)。

“在莫纳什大学的 FLEET 实验室，我们生长了内在磁拓扑绝缘体 MNBI 2 TE 4 的超薄膜，并研究了它们的电子能带结构，”主要作者 Chi Xuan Trang 博士解释说。

注意间隙：如何观察磁性拓扑绝缘体中的带隙

拓扑绝缘体材料中引入的磁性破坏了材料中的时间反转对称性，导致拓扑绝缘体的表面状态打开了一个间隙。

当高于磁性有序温度时，观察从 QAH 绝缘体相(左)到顺磁无间隙 TI 相(右)的相变。信用：舰队

“虽然我们无法使用角分辨光发射光谱(ARPES)直接观察 QAH 效应，但我们可以使用这种技术来探测 MNBI 2 TE 4表面带隙开口的大小以及它如何随温度变化，” FLEET 研究员 Trang 博士说。

在固有磁性拓扑绝缘体(例如 MNBI 2 TE 4 )中，存在临界磁性排序温度，在该温度下，材料预计会经历从 QAH 绝缘体到顺磁拓扑绝缘体的拓扑相变。

“通过在不同温度下使用角分辨光电子发射，我们可以测量 MNBI 2 TE 4开闭中的带隙，以确认带隙的拓扑相变和磁性，”FLEET 博士李奇乐说。该研究的学生和共同主要作者。

“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 MNBI 2 TE 4是宽带隙 2D 铁磁绝缘体。单层 MBT 作为 2D 铁磁体也可以在附近使用与拓扑绝缘体结合在异质结构中时的磁化强度。” 李七乐说。

“通过将我们的实验观察与第一性原理密度泛函理论 (DFT) 计算相结合，我们可以确认依赖于层的 MNBI 2 TE 4的电子结构和间隙大小，”FLEET AI 和小组负责人 Mark Edmonds 博士说。

本征磁拓扑绝缘体MNBI 2 TE 4的应用

MNBI 2 TE 4在许多经典计算应用中具有潜力，例如无损传输和超低能耗设备。此外，它可以与超导体耦合以产生手性马约拉纳边缘态，这对于拓扑量子计算设备方案很重要。

研究

FLEET 研究人员使用角分辨光电子能谱 (ARPES) 和密度泛函理论 (DFT) 计算来研究 MNBI 2 TE 4的电子状态和能带结构。

2021 年 8 月在ACS Nano 上发表了超薄 MNBI 2 TE 4中从 2D 铁磁绝缘体到宽带隙量子异常霍尔绝缘体的交叉。

本研究中的超薄 MNBI 2 TE 4薄膜配方最初是在莫纳什大学的 Edmonds 电子结构实验室中发现的。之后，在加利福尼亚的高级光源(劳伦斯伯克利国家实验室)使用 ARPES 测量来生长和表征超薄膜。

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