Сотрудничество – включая Брукхевенскую Национальную лабораторию американского Министерства энергетики, MIT и Университет штата Пенсильвания – использовало ультрасовременные электронные средства микроскопии на Brookhaven Lab, чтобы точно определить это never-seen поведение. Результаты были изданы онлайн 9 апреля 2015 в журнале Physical Review Letters.«Наш эксперимент первый, чтобы привести неопровержимое доказательство магнетизма ван Влека, который добивается магнитных свойств топологических изоляторов», сказал аспирант MIT и Brookhaven Lab Мингда Ли, ведущий автор на исследовании. «Синтез и методы характеристики наконец поймали до оригинальной теоретической работы, и мы взволнованы, чтобы выполнить это инновационное исследование».
Настраиваемые топологические изоляторы могли положить начало новым поколениям spintronics, квантовых компьютеров и ультраэффективных полупроводниковых устройств.Волейбол ван Влека
Классические материалы имеют тенденцию проводить электричество, или изолированный против него – думают резина против меди. Топологические изоляторы, однако, живут в обоих мирах: большая часть изолирует, но поверхность очень проводящая. Отношения между этими конкурирующими качествами вводят странные явления, особенно в поверхностных электронах.«Поверхностные электроны – названный электронами Дирака – показывают подобную свету подвижность и чрезвычайную стабильность, которая позволяет столько увлекательного возможного применения», сказал Ли. «Но этими электронами нельзя управлять непосредственно.
Это – то, где магнетизм ван Влека входит, чтобы вызвать и использовать электроны Дирака».Вообразите бесконечную игру в волейбол между отлично подобранными противниками. Теперь замените плееры с магнитными ионами и шаром со свободным электроном – что взаимодействие отражает магнетизм в традиционных полупроводниках.
Прерывание игры или изменение поведения того свободного электрона, который является ключевым для приложений полупроводника, являются относительно простой задачей.В топологических изоляторах, однако, что волейбольный матч никогда не начинается. Магнитное действие содержится в единственной кристаллической структуре – нет назад и вперед и никакие свободные электроны. Этот тонкий, внутриатомный магнетизм ведет себя как одинокий игрок, участвующий в виртуальном залпе.
На самом деле волейбол жулика (свободный электрон) разрушил бы игру.«На те существенные внешние электроны можно только влиять через основные электроны топологического изолятора», сказал Ли. «Внешние электроны могут ‘чувствовать’ эффект энергетических или магнитных полей на ядре.
Тот разговор между ядром и раковиной установлен магнетизмом ван Влека».Джон Хэсбрук ван Влек, которого рассматривают отцом современного магнетизма, завоевал Нобелевскую премию по физике 1977 года для своих квантовых пересмотров теории магнетизма.
Его инновационная работа включала предсказание этого внутреннего магнетизма, который было общеизвестно трудно обнаружить – до сих пор.Атомно кроящие и ультрахолодные электроныТопологические изоляторы, как правило, синтезируются один атомный слой за один раз посредством процесса, названного молекулярной эпитаксией луча (MBE).
Для этого исследования ученые MIT использовали MBE, чтобы построить теллур сурьмы топологический изолятор (Sb3Te3) с добавленным ванадием.«Допинг ванадия увеличил сигнал электронов, изменяющих энергетические уровни в материале», сказал соавтор Имэй Чжу, старший научный сотрудник из Brookhaven Lab и co-наблюдатель Ли. «Иерархическое представление этих материалов в трехмерных кристаллах является одной из самых захватывающих границ в материаловедении – крошечные изменения состава или расположения могут радикально повлиять на работу».Команда ударила топологический изолятор электронным лучом, сосредоточенным к в одном атоме в современном просвечивающем электронном микроскопе (TEM). Этот луч взволновал основной электрон, который в свою очередь поднял энергию во внешней раковине Дирака.
Затем использование техники назвало электронную энергетическую спектроскопию потерь (EELS), ученые измерили различие в энергии между электронным лучом инцидента и электронами, которые рассеиваются из образца после воздействия. Энергия проиграла, показал эффект ван Влека в действии.
«Нам было нужно экстраординарный пространственный и энергетическая резолюция», сказал Ли. «Но реальная проблема достигала той точности при чрезвычайно низких температурах – это – то, что отличает инструмент и экспертные знания Брукхевена».Неуловимый магнетизм только появляется при температурах ниже, чем 70 Келвина, или-334 градуса по Фаренгейту.
Но для этого эксперимента, чтобы сделать эффект более очевидным, команда должна была поддержать точность на уровне атомов полностью вниз 10 Келвину, или-442 градуса по Фаренгейту.«Когда Мингда узнал, что мы могли сделать точную работу УГРЕЙ над 10 Келвином, где атомный дрейф – главное препятствие, он знал, что это было прекрасной возможностью заняться магнетизмом ван Влека», сказал Чжу. «Это была прекрасная идея с его стороны».
Это исследование отмечает четвертую научную публикацию от Чжу и продолжающегося сотрудничества Ли.«Mingda – очень умный и независимый студент со многими новыми идеями для исследования», добавил Чжу. «Он убедительно начал MIT-брукхевенское сотрудничество после слушания моего разговора на конференции больше чем три года назад.
Я стал его co-наблюдателем тезиса, наряду с профессором Джу Ли в MIT, и Mingda часто посещает Брукхевен, чтобы использовать в своих интересах наши средства и экспертные знания».Литий, как ожидают, получит высшее образование в мае и займет postdoc позицию в MIT, делающем просмотр микроскопии туннелирования. Литий сосредоточится на экзотических свойствах топологических материалов и их приложений устройства – много открытий остаются, прежде чем коммерческое развертывание становится возможным.«Элементный допинг, как мы сделали с ванадием здесь, один способ вызвать магнетизм ван Влека», сказал Ли. «Но мы не исследовали эффект близости, где смежные элементы влияют на основные электроны.
Мы также ожидаем находить новые состояния вещества в интерфейсе между топологическими изоляторами и другими материалами. Это – очень захватывающее время, чтобы исследовать эти материалы».Среди других авторов на исследовании Цуй-Цзу Чан, Хагадеес С. Моодера и Джу Ли из MIT; Лиджун Ву и Цзин Тао из Brookhaven Lab; и Вейвей Чжао и Моисей Х. В. Чан из Университета штата Пенсильвания.
Работа в Брукхевенской Национальной лаборатории была поддержана Офисом Науки об американском Министерстве энергетики (DOE).