Perceber vários estados de borda sem dissipação e aumentar a temperatura de trabalho dos estados isolantes de Chern não são apenas os tópicos de pesquisa mais importantes nas ciências físicas, mas também se espera que promova o desenvolvimento de eletrônicos de baixo consumo e circuitos integrados. Crédito:The International Center for Quantum Materials, Escola de Física, Universidade de Pequim
O efeito Quantum Hall (QHE) é uma das descobertas mais importantes nas ciências físicas. Devido aos estados de borda sem dissipação unidimensionais (1-D), O QHE exibe propriedades de transporte exóticas com resistência Hall quantizada de h / νe2 e resistência longitudinal ao desaparecimento. Aqui, h é a constante de Planck, ν é o fator de preenchimento de Landau e e é a carga do elétron. QHE geralmente se origina da formação de lacuna de energia notável e da simetria de reversão do tempo quebrada, que requer materiais com alta mobilidade, alto campo magnético e temperatura ultrabaixa. Essas condições rigorosas limitam muito a exploração profunda e amplas aplicações de QHE. Em 1988, Haldane teoricamente propôs que o QHE pode ser realizado sem a aplicação de campo magnético externo, isto é, estado isolante de Chern ou efeito Hall anômalo quântico (QAHE).
Em 2013, QAHE com número de Chern C =1 foi experimentalmente observado em filmes finos de cromo-dopado (Bi, Sb) 2 Te 3 na temperatura até 30 mK. Após, Haldane recebeu o Prêmio Nobel de Física de 2016 por seus primeiros trabalhos teóricos sobre fases topológicas da matéria, incluindo a previsão de QAHE. Os estados de borda sem dissipação 1D dos isoladores Chern fornecem uma possível solução para o aquecimento inevitável em circuitos integrados. Em geral, apenas um estado de borda 1-D sem dissipação pode ser realizado em temperaturas ultrabaixas em isoladores topológicos dopados magneticamente, o que está longe dos requisitos do aplicativo. Portanto, perceber vários estados de borda sem dissipação e aumentar a temperatura de trabalho dos estados isolantes de Chern não são apenas os tópicos de pesquisa mais importantes nas ciências físicas, mas também se espera que promova o desenvolvimento de eletrônicos de baixo consumo e circuitos integrados.
Recentemente, uma colaboração de pesquisa liderada pelo Professor Wang Jian na Universidade de Pequim, O professor Xu Yong e o professor Wu Yang da Universidade de Tsinghua descobriram estados isolantes de alto número de Chern e alta temperatura de Chern em MnBi 2 Te 4 dispositivos, representando um grande avanço em isoladores de Chern e estados quânticos topológicos.
MnBi 2 Te 4 é um material topológico magnético em camadas. Conforme mostrado na Fig. 1a, monocamada MnBi 2 Te 4 inclui sete camadas atômicas, formando uma camada septupla Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te (SL), que pode ser visto como intercalando uma bicamada Mn-Te no centro de um Bi 2 Te 3 camada quíntupla. MnBi 2 Te 4 exibe ordem ferromagnética (FM) dentro do SL e ordem anti-ferromagnética (AFM) entre SLs vizinhos com um eixo fácil fora do plano. Cálculos teóricos mostram que vários estados topológicos exóticos podem ser esperados em MnBi. 2 Te 4 , como QAHE em filmes SLs ímpares, estado isolante axion em até mesmo filmes SLs, Isolador topológico AFM em campo magnético zero e semimetal magnético de Weyl sob campo magnético perpendicular a granel. Abundantes estados topológicos exóticos e estrutura em camadas tornam MnBi 2 Te 4 uma excelente plataforma para observação e modulação de estados quânticos topológicos.
(a) Estrutura cristalina esquemática de MnBi2Te4. As setas vermelha e azul denotam os momentos magnéticos dos átomos de Mn. (b) Alto número de Chern (C =2) Estado do isolador de Chern no dispositivo 10-SL MnBi2Te4. (c), (d) Evolução da temperatura do estado do isolador de alto número de Chern (C =2). (e) Esquema C =2 Estado do isolador Chern com dois estados de borda sem dissipação. As duas cores diferentes são usadas para distinguir os SLs MnBi2Te4 adjacentes. Esta figura foi adaptada de https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa089 Crédito:The International Centre for Quantum Materials, Escola de Física, Universidade de Pequim
Os pesquisadores fabricaram vários MnBi 2 Te 4 dispositivos com espessuras diferentes. Em 9-SL e 10-SL MnBi 2 Te 4 dispositivos, um platô de resistência de Hall com altura de h / 2e2 acompanhado por resistência longitudinal quase desaparecendo é observado pela aplicação de um campo magnético perpendicular de 5 T, que é característico do isolador Chern com dois estados de borda sem dissipação (C =2) (Fig. 1b). Mais interessante, o estado do isolador C =2 Chern em 10-SL MnBi 2 Te 4 dispositivo pode sustentar acima de 10 K (Figs. 1c, d). Esta é a primeira descoberta experimental de múltiplos estados de borda sem dissipação acima da temperatura do hélio líquido.
Os pesquisadores estudaram ainda a influência da espessura do MnBi 2 Te 4 dispositivos no número Chern. Em 7-SL e 8-SL MnBi 2 Te 4 dispositivos, um platô de resistência Hall quantizado h / e2 acompanhado de resistência longitudinal quase extinta, isto é, o estado do isolador Chern com C =1 é observado. Mais importante, o platô de Hall mostra resistência quase quantizada, mesmo a 45 K em 7-SL MnBi 2 Te 4 dispositivo (Figs. 2a-c) e acima de 30 K em 8-SL MnBi 2 Te 4 dispositivo (Figs. 2d-f), que são obviamente mais altas do que a temperatura de Néel (cerca de 22 K) de MnBi 2 Te 4 dispositivos.
Os estados de isolador de Chern de alto número e alta temperatura observados exigem a aplicação de um campo magnético fraco devido à natureza antiferromagnética do MnBi 2 Te 4 em campo magnético zero. Como o QHE comum também pode dar origem a um platô de resistência Hall quantizado e resistência longitudinal de desaparecimento, é necessário excluir a influência dos níveis de Landau (LLs) induzidos pelo campo magnético externo nos achados. Os pesquisadores primeiro estimaram a mobilidade do MnBi 2 Te 4 dispositivos, que varia de 100 a 300 cm 2 V -1 s -1 . Essa baixa mobilidade requer um campo magnético externo superior a 30 T para QHE com LLs a serem observados, que é muito maior do que o campo magnético de quantização em nosso MnBi 2 Te 4 dispositivos. Os pesquisadores demonstraram ainda que o sinal do número de Chern permanece inalterado com o tipo de portadora ao aplicar voltagens de porta traseira, excluindo inequivocamente a possibilidade do QHE comum com LLs.
(a) - (c) Estado do isolador Chern de alta temperatura no dispositivo 7-SL MnBi2Te4. (d) - (f) Estado do isolador Chern de alta temperatura no dispositivo 8-SL MnBi2Te4. Este número é de https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa089 Crédito:The International Center for Quantum Materials, Escola de Física, Universidade de Pequim
A origem dos estados de isolador de Chern observados é revelada por cálculos teóricos. Ferromagnetic MnBi 2 Te 4 é previsto ser o semimetal magnético de Weyl mais simples, que possui apenas um par de pontos Weyl (WPs) perto do nível de Fermi. O confinamento quântico leva ao estado isolante de Chern e ao número de Chern dependente da camada em MnBi de poucas camadas 2 Te 4 , permitindo a existência de vários estados de borda sem dissipação no gap em massa, o que é consistente com os resultados experimentais. A descoberta do estado isolante de Chern de alto número de Chern também fornece evidências experimentais de uma forma para o estado semimetal magnético de Weyl em MnBi 2 Te 4 .
Os estados isolantes de Chern de alto número e alta temperatura descobertos nos materiais topológicos magnéticos intrínsecos estimularão a exploração em altas temperaturas e até mesmo em QAHE de temperatura ambiente, e pavimenta o caminho para grandes avanços na física, ciência dos materiais e tecnologia da informação.
O artigo intitulado "High-Chern-Number and High-Temperature Quantum Hall Effect without Landau Levels, "foi publicado online em National Science Review .
