As lacunas de banda observadas e o esquema correspondente no isolador ferromagnético 2D (à esquerda) e no isolador QAH MNBI 2 TE 4 (direito). Crédito:FLEET
Um isolador topológico magnético intrínseco MNBI 2 TE 4 foi descoberto com uma grande lacuna de banda, tornando-o uma plataforma de material promissora para a fabricação de eletrônicos de ultra-baixa energia e observação de fenômenos topológicos exóticos.
Hospedando magnetismo e topologia, ultrafino (apenas vários nanômetros de espessura) MNBI 2 TE 4 foi encontrado para ter um grande intervalo de banda em um estado de isolamento Quantum Anomalous Hall (QAH), onde o material é metálico (ou seja, condutor elétrico) ao longo de suas bordas unidimensionais, enquanto isola eletricamente em seu interior. A resistência quase zero ao longo das bordas 1D de um isolador QAH, torná-lo promissor para aplicações de transporte sem perdas e dispositivos de energia ultrabaixo.
História de QAH:como alcançar o efeito desejado
Anteriormente, o caminho para a realização do efeito QAH foi introduzir quantidades diluídas de dopantes magnéticos em filmes ultrafinos de isoladores topológicos 3D.
Contudo, dopagem magnética diluída resulta em uma distribuição aleatória de impurezas magnéticas, causando dopagem e magnetização não uniformes. Isso suprime bastante a temperatura na qual o efeito QAH pode ser observado e limita possíveis aplicações futuras.
Uma opção mais simples é usar materiais que hospedam esse estado eletrônico da matéria como uma propriedade intrínseca.
Recentemente, classes de cristais atomicamente finos surgiram, semelhante ao famoso grafeno, que são isolantes topológicos magnéticos intrínsecos (ou seja, possuem magnetismo e proteção topológica).
Esses materiais têm a vantagem de ter menos desordem e maiores intervalos de banda magnética, permitindo fases topológicas magnéticas robustas operando em temperatura mais alta (isto é, mais perto do objetivo final da operação à temperatura ambiente).
"Nos laboratórios da FLEET na Monash University, nós cultivamos filmes ultrafinos de um isolador topológico magnético intrínseco MNBI 2 TE 4 e investigou sua estrutura de banda eletrônica, "explica o autor principal, Dr. Chi Xuan Trang.
Cuidado com a lacuna:como observar a lacuna de banda em um isolador topológico magnético
O magnetismo introduzido em materiais isolantes topológicos quebra a simetria de reversão do tempo no material, resultando na abertura de uma lacuna no estado de superfície do isolador topológico.
Observando a transição de fase da fase do isolador QAH (esquerda) para a fase TI sem lacunas paramagnética (direita), quando acima da temperatura de pedido magnético. Crédito:FLEET
"Embora não possamos observar diretamente o efeito QAH usando espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido (ARPES), podemos usar esta técnica para sondar o tamanho de uma abertura de banda na superfície do MNBI 2 TE 4 e como evolui com a temperatura, "diz o Dr. Trang, que é pesquisador da FLEET.
Em um isolante topológico magnético intrínseco, como MNBI 2 TE 4 , há uma temperatura de ordenação magnética crítica onde o material está previsto para sofrer uma transição de fase topológica do isolador QAH para um isolador topológico paramagnético.
"Ao usar fotoemissão de ângulo resolvido em diferentes temperaturas, poderíamos medir a diferença de banda no MNBI 2 TE 4 abrir e fechar para confirmar a transição de fase topológica e a natureza magnética do bandgap, "diz Qile Li, um estudante de Ph.D. da FLEET e co-autor do estudo.
"Os bandgaps do filme ultrafino MBT também podem mudar em função da espessura, e observamos que uma única camada MNBI 2 TE 4 é um isolador ferromagnético 2D de amplo bandgap. Uma única camada de MBT como um ferromagneto 2D também pode ser usada na magnetização de proximidade quando combinada em uma heteroestrutura com um isolante topológico ", disse Qile Li.
"Ao combinar nossas observações experimentais com cálculos da teoria funcional da densidade de primeiros princípios (DFT), podemos confirmar a estrutura eletrônica e o tamanho da lacuna do MNBI dependente da camada 2 TE 4 , "diz FLEET AI e líder do grupo Dr. Mark Edmonds.
Aplicações do isolador topológico magnético intrínseco MNBI 2 TE 4
MNBI 2 TE 4 tem potencial em uma série de aplicativos de computação clássicos, como no transporte sem perdas e dispositivos de energia ultrabaixa. Além disso, pode ser acoplado a um supercondutor para dar origem a estados de borda quirais de Majorana, que são importantes para esquemas de dispositivos de computação quântica topológica.
O estudo
Os pesquisadores da FLEET usaram espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido (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. Depois, the ultrathin films were grown and characterized using ARPES measurements at the Advanced Light Source (Lawrence Berkeley National Laboratory) in California.
