Сотрудничество, включая Брукхейвенскую национальную лабораторию Министерства энергетики США, Массачусетский технологический институт и Государственный университет Пенсильвании, использовало ультрасовременное оборудование для электронной микроскопии в Брукхейвенской лаборатории, чтобы выявить это невиданное ранее поведение. Результаты были опубликованы в Интернете 9 апреля 2015 года в журнале Physical Review Letters.
«Наш эксперимент является первым убедительным доказательством магнетизма Ван Флека, который определяет магнитные свойства топологических изоляторов», — заявили доктор философии Массачусетского технологического института и Брукхейвенской лаборатории. студентка Минда Ли, ведущий автор исследования. «Методы синтеза и характеристики наконец-то подошли к основополагающей теоретической работе, и мы очень рады, что выполнили это новаторское исследование».Перестраиваемые топологические изоляторы могут заложить основу для новых поколений спинтроники, квантовых компьютеров и сверхэффективных полупроводниковых устройств.Волейбол Ван Влека
Классические материалы, как правило, проводят электричество или изолируют от него — подумайте о резине по сравнению с медью. Однако топологические изоляторы существуют в обоих мирах: основная часть изолирует, но поверхность обладает высокой проводимостью. Взаимосвязь между этими конкурирующими качествами порождает странные явления, особенно в поверхностных электронах.
«Поверхностные электроны, называемые электронами Дирака, демонстрируют подобную свету подвижность и чрезвычайную стабильность, которые позволяют использовать множество интересных потенциальных приложений», — сказал Ли. «Но этими электронами нельзя управлять напрямую. Вот тут-то и появляется магнетизм Ван Флека, чтобы индуцировать и использовать электроны Дирака».Представьте себе бесконечную игру в волейбол между идеально подобранными соперниками.
Теперь замените игроков магнитными ионами, а мяч — свободным электроном — взаимодействие, которое отражает магнетизм в традиционных полупроводниках. Прервать игру или изменить поведение этого свободного электрона, что является ключевым для полупроводниковых приложений, является относительно простой задачей.Однако в топологических изоляторах этот волейбол никогда не запускается. Магнитное действие заключено в монокристаллической структуре — без движения вперед и назад и без свободных электронов.
Этот тонкий внутриатомный магнетизм ведет себя как игрок-одиночка, участвующий в виртуальном залпе. Фактически, мошеннический волейбол (свободный электрон) испортил бы игру.«На эти важнейшие внешние электроны можно повлиять только через электроны ядра топологического изолятора», — сказал Ли. «Внешние электроны могут« чувствовать »влияние энергии или магнитных полей на ядро.
Этот диалог между ядром и оболочкой опосредован магнетизмом Ван Флека».Джон Хасбрук ван Флек, которого считают отцом современного магнетизма, получил в 1977 году Нобелевскую премию по физике за свои квантовые пересмотры теории магнетизма. Его новаторская работа включала в себя предсказание этого внутреннего магнетизма, который до сих пор было заведомо трудно обнаружить.Атомный портной и ультрахолодные электроны
Топологические изоляторы обычно синтезируются по одному атомному слою за раз с помощью процесса, называемого молекулярно-лучевой эпитаксией (МБЭ). Для этого исследования ученые Массачусетского технологического института использовали MBE для создания топологического изолятора сурьма-теллур (Sb3Te3) с добавлением ванадия.«Допирование ванадием усиливает сигнал электронов, изменяющих уровни энергии в материале», — сказал соавтор Йимей Чжу, старший научный сотрудник Brookhaven Lab и соруководитель Ли. «Слоение этих материалов в трехмерные кристаллы является одним из самых захватывающих рубежей в материаловедении — незначительные изменения в составе или расположении могут радикально повлиять на производительность».
Команда поразила топологический изолятор электронным пучком, сфокусированным с точностью до одного атома внутри современного просвечивающего электронного микроскопа (ТЕМ). Этот луч возбуждал остовный электрон, который, в свою очередь, увеличивал энергию во внешней дираковской оболочке. Затем, используя метод, называемый спектроскопией потерь энергии электронов (EELS), ученые измерили разницу в энергии между падающим электронным пучком и электронами, которые рассеиваются из образца после удара.
Потерянная энергия выявила эффект Ван Флека в действии.«Нам требовалось исключительное пространственное и энергетическое разрешение», — сказал Ли. «Но настоящая проблема заключалась в достижении такой точности при чрезвычайно низких температурах — это то, что отличает инструмент и опыт Brookhaven».Неуловимый магнетизм проявляется только при температурах ниже 70 Кельвина или -334 градуса по Фаренгейту. Но для этого эксперимента, чтобы эффект был более очевидным, команде нужно было поддерживать точность атомной шкалы вплоть до 10 Кельвинов, или -442 градусов по Фаренгейту.
«Когда Мингда узнал, что мы можем выполнять точные исследования EEL при 10 градусах Кельвина, где атомный дрейф является серьезным препятствием, он знал, что это прекрасная возможность заняться магнетизмом Ван Флека», — сказал Чжу. «Это была гениальная идея с его стороны».Это исследование знаменует собой четвертую научную публикацию продолжающегося сотрудничества Чжу и Ли.
«Минда — очень умный и независимый студент, у него много новых идей для исследований», — добавил Чжу. «Он убедительно инициировал сотрудничество между Массачусетским технологическим институтом и Брукхейвеном после того, как выслушал мой доклад на конференции более трех лет назад. Я стал соруководителем его диссертации вместе с профессором Джу Ли из Массачусетского технологического института, и Мингда часто посещает Брукхейвен, чтобы воспользоваться нашими возможностями. и экспертиза ".Ли, как ожидается, закончит учебу в мае и займет должность постдока в Массачусетском технологическом институте, занимаясь сканирующей туннельной микроскопией. Ли сосредоточится на экзотических свойствах топологических материалов и их применениях в устройствах — многие открытия еще остаются до того, как станет возможным коммерческое развертывание.
«Элементный допинг, как мы сделали здесь с ванадием, — это один из способов вызвать магнетизм Ван Флека», — сказал Ли. «Но мы не исследовали эффект близости, когда соседние элементы влияют на основные электроны. Мы также ожидаем обнаружить новые фазы материи на границе раздела между топологическими изоляторами и другими материалами. Это очень захватывающее время для изучения этих материалов».Среди других авторов исследования — Цуй-Зу Чанг, Джагадиш С. Мудера и Джу Ли из Массачусетского технологического института; Лицзюнь Ву и Цзин Тао из Брукхейвенской лаборатории; и Вэйвэй Чжао и Моисей Х. В. Чан из Университета штата Пенсильвания.
Работа в Брукхейвенской национальной лаборатории была поддержана Управлением науки Министерства энергетики США (DOE).