Исследователи в Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики, Массачусетском технологическом институте и их сотрудниках использовали нейтрон, рассеивающийся, чтобы показать магнитные моменты в гибридных материалах топологического изолятора (TI) при комнатной температуре, сотни градусов по Фаренгейту, теплее, чем чрезвычайный холод ниже нуля, где свойства, как ожидают, произойдут.Открытие обещает новые возможности для электронных и spintronic устройств следующего поколения, таких как улучшенные транзисторы и квант вычислительные технологии. Их исследование обсуждено в работе, опубликованной в журнале Nature.ЭТО относительно новые материалы, сказала Валерия Лотер, соавтор и ученый инструмента из Источника Нейтрона Расщепления ядра, Офиса САМКИ Научного Пользовательского Средства на ORNL.
Уникальное свойство ЭТО состоит в том, что электроны могут течь на поверхности без разложения, в то время как большая часть материала служит электрическим изолятором – идеал для полупроводников.«Свойства ЭТО фантастические», сказал Лотер, «но чтобы использовать их в устройствах, нам необходимо ввести магнетизм на поверхности, не нарушая оптовые изоляционные свойства материала».Это может быть достигнуто двумя способами: допингом примеси, где магнитные атомы включены на поверхность TI, или сцеплением близости, где магнетизм вызван, соединяя TI со слоем фильма изолирования ферромагнетика.Первый метод представляет проблему, как бы то ни было.
Допинг может вызвать магнитные группы, если атомы однородно не распределены, приведя к уменьшенной управляемости переноса электронов. Сцепление близости, с другой стороны, может быть получено в чистых, атомарно острых взаимодействиях с прозрачными ориентациями между двумя материалами.Используя метод сцепления близости, сотрудники Лотера в Массачусетском технологическом институте спроектировали гибридные гетероструктуры двойного слоя селенида висмута (Bi2Se3) ЭТО объединенный с сульфидом европия ферромагнитный изолятор (ЕС) (FMI).
Определенные направления вращения FMI в близости к TI позволяют без разложений, поляризованный вращением (т.е. магнитный) электронный поток в тонком слое близко к интерфейсу. Тот брак формирует взаимно магнитные отношения, Лотер сказал, хотя трудно установить.
«Первая проблема состоит в том, чтобы вырастить систему», сказала она. «Второе должно измерить свой магнетизм – не легкая вещь сделать, когда маленькие магнитные сигналы скрыты между двумя материалами».Сам оптовый EuS представляет собой особую проблему, в которой он ограничен низкой температурой Кюри (Tc), температурой, при которой материал прекращает демонстрировать ферромагнитное поведение – в этом случае температура приблизительно 17 kelvins (17 K), или отрицательные 430 градусов по Фаренгейту, значительно ниже подходящей комнатной температуры для электронных устройств.Чтобы определить скрытые магнитные сигналы, Лотер использовал метод поляризованной нейтронной рефлектометрии (PNR) в Магнетизме инструмент Reflectometer на линии луча SNS 4 А. Нейтроны подходящие для этого типа обнаружения из-за их чувствительности к магнетизму и их врожденной способности пройти через материалы неразрушающим способом, объясняя структурные и магнитные профили глубины.
Аналогично, PNR подходит для изучения интерфейсов BI2SE3-ЕС, потому что это – единственная техника, которая может измерить абсолютную величину магнитных моментов в материалах.Первые типовые измерения были проведены в 5 K, значительно ниже EuS Tc 16.6 K. Оттуда, Lauter провел измерения выше Tc, начинающегося в 25 K, и к ее удивлению, система была все еще очень магнитной.«Это было довольно неожиданно.
Выше этой температуры [16.6 K] ничто в системе не должно быть магнитным», сказал Лотер. «Таким образом, я имел размеры в 35 K, тогда 50 K, и это было все еще магнитным. Я измерил полностью до комнатной температуры [300 K, 80 F] на несколько пунктов и видел, что маленькое намагничивание все еще присутствовало».Лотер отмечает при комнатной температуре, которой снижен уровень магнетизма больше, чем фактор 10 по сравнению с его 5 коэффициентами теплопроводности. Тем не менее, она говорит, это остается существенным рассмотрением, что никакой магнетизм не найден в слоях EuS выше 50 K без интерфейса TI.
Чтобы доказать результаты, последующие измерения были проведены, используя различные образцы с переменными комбинациями толщины. В течение экспериментов нейтроны показали, что ферромагнетизм простирается приблизительно на 2 миллимикрона в Bi2Se3 от интерфейса.
«Это открытие могло открыть новые двери для проектирования spintronic устройства», сказал Лотер. «Ферромагнитные поверхностные государства в ЭТО, как также думают, позволяют появление экзотических явлений, таких как фермионы Majorana – потенциальные стандартные блоки для квантовых компьютеров.«Это просто свойства, о которых мы знаем сегодня, и мы продолжаем находить еще больше».