Autor principal, Dr. Semonti Bhattacharyya. Crédito:Escola de Física e Astronomia da Monash University
Uma nova revisão da Monash destaca pesquisas recentes em heteroestruturas de isoladores topológicos e materiais magnéticos.
Em tais heteroestruturas, a interação interessante de magnetismo e topologia pode dar origem a novos fenômenos, como isoladores Hall anômalos quânticos, isoladores axion e skyrmions. Todos esses são blocos de construção promissores para a eletrônica de baixa potência do futuro.
Desde que os materiais candidatos adequados sejam encontrados, existe a possibilidade de realizar esses estados exóticos à temperatura ambiente e sem qualquer campo magnético, portanto, auxiliando na busca da FLEET por um futuro de baixa energia, além da eletrônica CMOS.
Encontrando a combinação certa de topologia e magnetismo
"Nosso objetivo era investigar novos métodos promissores de alcançar o efeito Hall quântico, "diz o principal autor do novo estudo, Dr. Semonti Bhattacharyya da Monash University.
O efeito Hall quântico (QHE) é um fenômeno topológico que permite que elétrons de alta velocidade fluam na borda de um material, que é potencialmente útil para a futura eletrônica de baixa energia e spintrônica.
"Contudo, um grande gargalo para esta tecnologia ser útil é o fato de que o efeito Hall quântico sempre requer altos campos magnéticos, que não são possíveis sem o uso de alta energia ou resfriamento criogênico. "
"Não adianta desenvolver eletrônicos de 'baixa energia' que consomem mais energia para funcionarem!" diz o Dr. Bhattacharyya, que é pesquisador da FLEET, buscando nova geração de eletrônicos de baixa energia.
Contudo, um 'coquetel' de física topológica e magnetismo pode tornar possível alcançar um efeito semelhante, o efeito Hall anômalo quântico, onde estados de borda semelhantes aparecem sem a aplicação de campo magnético externo.
Várias estratégias foram seguidas para induzir o magnetismo em isoladores topológicos:
"Em nossa análise, focamos na pesquisa científica recente em heteroestruturas na terceira abordagem, "diz o coautor Dr. Golrokh Akhgar (FLEET / Monash). Ou seja, uma única estrutura que incorpora camadas de película fina de isoladores topológicos e materiais magnéticos adjacentes uns aos outros, permitindo que o isolante topológico tome emprestadas propriedades magnéticas de seu vizinho.
Quando as duas superfícies dos isoladores topológicos são magnetizadas paralelamente uma à outra, uma lacuna de energia se abre nas superfícies para torná-las isolantes, mas as bordas suportam estados condutores sem resistência que podem funcionar como uma rodovia de elétrons. Crédito:Escola de Física e Astronomia da Monash University
Esta abordagem permite que os pesquisadores sintonizem cada tipo de material, por exemplo, aumentando a temperatura crítica para o material magnético, e aumentando o gap, e diminuindo os estados de defeito, em materiais topológicos.
"Acreditamos que esta abordagem para induzir magnetismo em isoladores topológicos é a mais promissora para descobertas futuras, porque o magnetismo e a topologia podem ser ajustados individualmente em dois materiais diferentes, otimizando assim tanto para nossa vantagem, "diz o co-autor Matt Gebert (FLEET / Monash).
Outra característica importante desta heteroestrutura é que o magnetismo induzido depende apenas dos momentos magnéticos do plano mais próximo dentro do material magnético, portanto, os materiais magnéticos não precisam ser ferromagnetos - ferriímãs, ou antiferromagnetos também podem ser usados. Isso aumenta o número de materiais magnéticos candidatos, permitindo a escolha de materiais com magnetismo em temperaturas mais altas, para operação mais próxima da temperatura ambiente.
"Este é um novo campo de pesquisa empolgante, "diz o autor correspondente, Prof Michael Fuhrer, também na Monash University.
Efeito de troca:um dos caminhos para a ordenação magnética em isoladores topológicos é uma troca direta na fronteira dos dois materiais. Crédito:Escola de Física e Astronomia da Monash University
"O progresso está acontecendo extremamente rápido, e sentimos que era hora de um artigo de revisão resumindo as conquistas recentes, e delineando um futuro roteiro deste campo, "diz o Prof Fuhrer, quem é diretor da FLEET.
Esta revisão fornece todas as informações necessárias para introduzir novos pesquisadores na área. Ele explica as idéias conceituais por trás dos mecanismos de efeito de proximidade magnética em isoladores topológicos, apresenta os sistemas de materiais que foram explorados e os vários fenômenos emergentes que foram detectados, e descreve um futuro roteiro para o aumento da temperatura e aplicações inovadoras.
Extensão magnética:O estado da superfície do isolador topológico se estende para o isolador ferromagnético vizinho, interagindo com momentos magnéticos por meio de interação de troca forte para produzir um intervalo de banda de troca maior e comportamento de isolamento mais forte. Crédito:Escola de Física e Astronomia da Monash University
"Esperamos que outros considerem uma revisão oportuna, esclarecendo os conceitos importantes do campo e as publicações recentes, "diz Semonti.
"Progresso recente no acoplamento de proximidade de magnetismo a isoladores topológicos" foi publicado em Materiais avançados em junho de 2021.
