Исследователи из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики Массачусетского технологического института и их сотрудники использовали рассеяние нейтронов для выявления магнитных моментов в материалах гибридных топологических изоляторов (ТИ) при комнатной температуре, на сотни градусов по Фаренгейту теплее, чем при крайне низких температурах, когда ожидается, что свойства появятся.Открытие обещает новые возможности для электронных и спинтронных устройств следующего поколения, таких как улучшенные транзисторы и технологии квантовых вычислений. Их исследования обсуждаются в статье, опубликованной в журнале Nature.«ТИ — это относительно новые материалы», — сказала Валерия Лаутер, соавтор и специалист по приборам из Spallation Neutron Source, исследовательского центра Министерства энергетики США, лаборатории ORNL.
Уникальное свойство ТИ заключается в том, что электроны могут течь по поверхности без рассеяния, а основная масса материала служит электрическим изолятором — идеально подходит для полупроводниковых материалов.«Свойства ТИ просто фантастические, — сказал Лаутер, — но для того, чтобы использовать их в устройствах, мы должны иметь возможность создавать магнетизм на поверхности, не нарушая объемные изоляционные свойства материала».Это может быть достигнуто двумя способами: с помощью примесного легирования, когда магнитные атомы встраиваются в поверхность ТИ, или с помощью бесконтактной связи, когда магнетизм индуцируется путем сопряжения ТИ со слоем ферромагнитной изолирующей пленки.Однако первый метод представляет проблему.
Допирование может вызвать образование магнитных кластеров, если атомы распределены неравномерно, что приведет к снижению управляемости электронного транспорта. С другой стороны, бесконтактное соединение может быть получено на чистых, атомарно острых границах раздела с кристаллической ориентацией между двумя материалами.
Используя метод бесконтактной связи, сотрудники Лаутера из Массачусетского технологического института сконструировали гибридные двухслойные гетероструктуры ТИ селенида висмута (Bi2Se3) в сочетании с ферромагнитным изолятором (FMI) на основе сульфида европия (EuS). Определенные направления спинов FMI в непосредственной близости от TI обеспечивают бездиссипативный, спин-поляризованный (то есть магнитный) поток электронов в тонком слое вблизи границы раздела. По словам Лаутера, этот брак формирует взаимно притягательные отношения, хотя его трудно установить.
«Первая задача — расширить систему», — сказала она. «Второй — измерить его магнетизм — нелегкая задача, когда небольшие магнитные сигналы скрыты между двумя материалами».Сам объемный EuS представляет собой особую проблему, поскольку он ограничен низкой температурой Кюри (Tc), температурой, при которой материал перестает демонстрировать ферромагнитное поведение — в данном случае температура составляет примерно 17 кельвинов (17 K) или отрицательное значение. 430 градусов по Фаренгейту, что значительно ниже комнатной температуры для электронных устройств.
Чтобы идентифицировать скрытые магнитные сигналы, Лаутер использовал метод рефлектометрии поляризованных нейтронов (PNR) в приборе Magnetism Reflectometer на линии 4A луча SNS. Нейтроны хорошо подходят для этого типа обнаружения из-за их чувствительности к магнетизму и их врожденной способности проходить сквозь материалы неразрушающим образом, выявляя структурные и магнитные профили глубины. Точно так же PNR подходит для изучения границ раздела Bi2Se3-EuS, потому что это единственный метод, который может измерять абсолютное значение магнитных моментов в материалах.
Первые замеры образцов проводились при 5 К, что значительно ниже EuS Tc, равного 16,6 К. Оттуда Лаутер провела измерения выше Tc, начиная с 25 К, и, к ее удивлению, система все еще оставалась сильной магнитной.«Это было довольно неожиданно. Выше этой температуры [16,6 K] ничто в системе не должно быть магнитным», — сказал Лаутер. «Итак, я измерил при 35 К, затем 50 К, и он все еще оставался магнитным.
Я провел измерения вплоть до комнатной температуры [300 К, 80 F] в нескольких точках и увидел, что небольшая намагниченность все еще присутствует».Лаутер отмечает, что при комнатной температуре уровень магнетизма снижается более чем в 10 раз по сравнению со значением 5 К. Тем не менее, по ее словам, он остается существенным, учитывая, что в слоях EuS выше 50 К не обнаруживается магнетизма без интерфейса TI.
Для подтверждения результатов были проведены последующие измерения на разных образцах с разным сочетанием толщины. В ходе экспериментов нейтроны показали, что ферромагнетизм распространяется примерно на 2 нанометра в Bi2Se3 от границы раздела.«Это открытие может открыть новые двери для разработки спинтронных устройств», — сказал Лаутер. «Ферромагнитные поверхностные состояния в ТИ также способствуют возникновению экзотических явлений, таких как майорановские фермионы — потенциальные строительные блоки для квантовых компьютеров.
«Это только те свойства, о которых мы знаем сегодня, и мы продолжаем находить еще больше».