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弥合拓扑绝缘子的磁性能和电子性能之间的差距

拓扑绝缘体具有表面导电但内部绝缘的非凡特性。这种看似简单、独特的现象隐藏着大量奇特的量子现象,这些量子现象在量子计算机、自旋电子学和先进的光电系统等领域现在具有广泛的应用。

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然而,要揭示这些不寻常的量子特性,需要引入拓扑绝缘子的磁性。换句话说,需要实现材料中电子相互对准的某种“磁性顺序”。2017年提出了实现这一壮举的新方法。即所谓的“磁性延伸”(magnetic extension)技术,将磁性材料的单层插入拓扑绝缘体的最顶层,从而避免由其它可用方法,如掺杂磁性杂质引起的问题。

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但是,这种磁性扩展的使用,导致了关于所得材料的电子能带结构的复杂性问题和矛盾的答案,而这决定了电子的可能能级并最终决定了材料的导电性能。

已经认知,拓扑绝缘子在其电子能带结构中表现出所谓的狄拉克锥(Dirac cone,缩写:DC),以狄拉克(Paul Dirac)的名字命名,指拓扑绝缘体电子带结构中的非同寻常电子传输性质。

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在拓扑绝缘体材料中,在费米能级附近的能量处,价带和导带呈圆锥形表面的上半部分和下半部分的形状,在所谓的狄拉克点处相遇。在量子力学中,狄拉克锥是一种避免交叉的现象,即在二维的流形空间中除零维狄拉克点外,价带和导带的能量不相等(“交叉”)的现象。

该锥带类似于两个彼此相对的锥。但是,学界尚未就两个锥形尖端之间的间隙,与材料的磁性特征之间的相关性,达成实验共识。

现在,由日本东京科技大学领导的多所大学和研究机构的合作研究,阐明了拓扑绝缘子的磁性能与其电子能带结构之间的这种关系。他们的实验结果为有关这些材料中随温度变化的能带结构,提供了新的认知。对于表现出不寻常的量子现象的这些新的认知,被认为在下一代电子、自旋电子学和量子计算机中至关重要。

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研究人员通过在经过充分研究的拓扑绝缘体Bi2Te3上沉积Mn和Te来制造磁性拓扑结构。科学家认为,额外的Mn层将与Bi2Te3相互作用更强,并且新兴的磁性可能归因于狄拉克锥间隙的变化,研究人员解释说:“我们希望牢固的层间磁相互作用将导致这样一种情况:与以前的研究相比,磁性能和直流间隙明显。”

如图所示Bi2Te3和磁性拓扑绝缘体样品的电子能带结构;狄拉克锥结构在后者中更为突出,两个突出的光发射峰及其渐进融合归因于温度升高导致直流间隙的闭合。

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通过检查样品的电子能带结构和光发射特性,他们证明了直流间隙如何随温度升高而逐渐闭合。此外,他们分析了样品的原子结构,发现了两种可能的构型:MnBi2Te4 / Bi2Te3和Mn4Bi2Te7 / Bi2Te3,后者负责直流间隙。如图所示扫描透射电子显微镜图像与能量色散光谱一起使用,以确定样品的两种可能结构的原子组成。

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但是,一个令人困惑的发现是,直流间隙闭合的温度远高于临界温度,在该温度以上,材料失去了永久的磁序。这与先前的研究形成了鲜明的对比,先前的研究表明,在高于材料的临界温度下,狄拉克锥间隙仍可以打开而不闭合。研究人员说:“我们的结果首次显示,临界温度上方的远距离磁阶损失与狄拉克锥间隙闭合无关。”

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这项研究朝着努力阐明直流间隙的性质与磁性能之间的关系的正确方向迈出了重要的一步,对这些量子现象更深入的了解,将有助于为下一代电子学和量子计算获得拓扑绝缘体的更有力的支撑。

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