澳大利亚团队发现磁性拓扑绝缘体中的大带隙

QAH绝缘体沿一维边缘的电阻几乎为零，这使其在无损传输应用和超低能耗器件中具有广阔的前景

已发现具有大带隙的本征磁性拓扑绝缘体 MnBi₂Te₄，使其成为制造超低能耗电子器件和观察奇异拓扑现象的有希望的材料平台。

超薄（仅几纳米厚）MnBi₂Te₄具有磁性和拓扑结构，在量子反常霍尔（QAH）绝缘状态下具有较大的带隙，材料沿其一维边缘为金属状（即导电），而内部为电绝缘。QAH绝缘体沿一维边缘的电阻几乎为零，这使其在无损传输应用和超低能器件中具有广阔的前景。

以前，实现 QAH 效应的途径是将稀释量的磁性掺杂剂引入 3D 拓扑绝缘体的超薄膜中。

然而，稀释的磁掺杂会导致磁性杂质的随机分布，从而导致不均匀的掺杂和磁化。这极大地抑制了可以观察到 QAH 效应的温度，并限制了未来可能的应用。

一个更简单的选择是使用将这种物质的电子状态作为内在属性的材料。

最近，出现了类似于著名的石墨烯的原子级薄晶体，它们是固有的磁性拓扑绝缘体（即，同时具有磁性和拓扑保护）。

这些材料的优势在于具有较少的无序和较大的磁带隙，允许在较高温度下运行稳健的磁性拓扑相（即更接近室温运行的最终目标）。

上图显示了从QAH绝缘体相（左）到顺磁性无间隙TI相（右）的相变，当高于磁有序温度时，“在莫纳什大学FLEET实验室，我们生长了本征磁性拓扑绝缘体 MnBi₂Te₄ 的超薄膜，并研究了它们的电子能带结构。”主要作者 Chi Xuan Trang 解释道。

拓扑绝缘体材料中引入的磁性破坏了材料中的时间反转对称性，导致拓扑绝缘体表面出现间隙。

“虽然我们无法使用角分辨光发射光谱 (ARPES) 直接观察 QAH 效应，但我们可以使用这种技术来探测 MnBi₂Te₄ 表面带隙开口的大小以及它如何随温度变化。” FLEET 研究员 Trang 说。

在本征磁性拓扑绝缘体（如 MnBi₂Te₄）中，存在临界磁性有序温度，预计材料将经历从 QAH 绝缘体到顺磁拓扑绝缘体的拓扑相变。

“通过在不同温度下使用角分辨光电子发射，我们可以测量 MnBi₂Te₄ 打开和关闭的带隙，以确认带隙的拓扑相变和磁性，”FLEET 博士生、该研究的共同主要作者 Qile Li 说。

“超薄膜 MBT 的带隙也可以随着厚度的变化而变化，我们观察到单层 MnBi₂Te₄ 是一种宽带隙 2D 铁磁绝缘体。当与拓扑绝缘体的异质结构结合时，单层 MBT 作为 2D 铁磁体也可以用于近距离磁化。” Qile Li 说。

“通过将我们的实验观察与第一性原理密度泛函理论 (DFT) 计算相结合，我们可以确认依赖于层的 MnBi₂Te 的电子结构和间隙尺寸。” FLEET AI 和小组负责人 Mark Edmonds 说。

MnBi₂Te 在许多经典计算应用中具有潜力，例如无损传输和超低能耗器件。此外，它可以与超导体耦合以产生手性马约拉纳边缘态，这对于拓扑量子计算器件方案非常重要。

FLEET 研究人员使用角分辨光电子能谱 (ARPES) 和密度泛函理论 (DFT) 计算来研究 MnBi₂Te₄ 的电子态和能带结构。

参考资料

'Crossover from 2D Ferromagnetic Insulator to Wide Band Gap Quantum Anomalous Hall Insulator in Ultrathin MnBi₂Te₄ ' was published in August 2021 in ACS Nano.

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