Faire un « sandwich » d’aimants et d’isolants topologiques, potentiel pour l’électronique sans perte


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  • Une équipe de recherche dirigée par l’Université Monash a découvert qu’une structure comprenant un isolant topologique ultra-mince pris en sandwich entre deux isolants ferromagnétiques 2D devient un isolant Hall anormal quantique à large bande interdite.

    Une telle hétérostructure ouvre la voie vers une future électronique viable à très basse énergie, voire vers un photovoltaïque topologique.

    Isolateur topologique : le remplissage du sandwich

    Dans la nouvelle hétérostructure des chercheurs, un matériau ferromagnétique forme le « pain » du sandwich, tandis qu’un isolant topologique (c’est-à-dire un matériau présentant une topologie non triviale) prend la place du « remplissage ».

    La combinaison du magnétisme et de la topologie de bande non triviale donne naissance à des isolants Hall anormaux quantiques (QAH), ainsi qu’à des phases quantiques exotiques telles que l’effet QAH où le courant circule sans dissipation le long d’états de bord quantifiés.

    L’induction d’un ordre magnétique dans les isolateurs topologiques via la proximité d’un matériau magnétique offre une voie prometteuse vers l’obtention de l’effet QAH à des températures plus élevées (approchant ou dépassant la température ambiante) pour les applications de transport sans perte.

    Une architecture prometteuse implique une structure sandwich comprenant deux couches simples de MnBi2Te4 (un isolant ferromagnétique 2D) de chaque côté de Bi ultra-mince2Te3 au milieu (un isolant topologique). Il a été prédit que cette structure produirait une phase isolante QAH robuste avec une bande interdite bien supérieure à l’énergie thermique disponible à température ambiante (25 meV).

    La nouvelle étude dirigée par Monash a démontré la croissance d’un MnBi2Te4 / Bi2Te3 /MnBi2Te4 hétérostructure par épitaxie par faisceau moléculaire, et sondé la structure électronique de la structure à l’aide de la spectroscopie photoélectronique résolue en angle.

    « Nous avons observé des fermions massifs de Dirac forts et déformés de manière hexagonale et une bande interdite de 75 meV », explique l’auteur principal, le candidat au doctorat Monash, Qile Li.

    L’origine magnétique de l’écart a été confirmée par l’observation de la disparition de la bande interdite au-dessus de la température de Curie, ainsi que la rupture de la symétrie d’inversion du temps et l’effet d’échange-Rashba, en excellent accord avec les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité.

    « Ces découvertes donnent un aperçu des effets de proximité magnétique dans les isolateurs topologiques, qui déplaceront le transport sans perte dans les isolateurs topologiques vers une température plus élevée », déclare le chef du groupe Monash et auteur principal, le Dr Mark Edmonds.

    Comment ça fonctionne

    Le MnBi 2D2Te4 les ferromagnétiques induisent un ordre magnétique (c’est-à-dire une interaction d’échange avec les électrons de Dirac 2D) dans l’isolant topologique ultra-mince Bi2Te3 par proximité magnétique.

    Cela crée un grand espace magnétique, l’hétérostructure devenant un isolant à effet Hall anormal quantique (QAH), de sorte que le matériau devient métallique (c’est-à-dire électriquement conducteur) le long de ses bords unidimensionnels, tout en restant électriquement isolant à l’intérieur. La résistance presque nulle le long des bords 1D de l’isolant QAH en fait une voie si prometteuse vers l’électronique basse consommation de nouvelle génération.

    À ce jour, plusieurs stratégies ont été utilisées pour réaliser l’effet QAH, telles que l’introduction de quantités diluées de dopants magnétiques dans des films ultraminces d’isolants topologiques 3D. Cependant, l’introduction de dopants magnétiques dans le réseau cristallin peut être difficile et entraîner un désordre magnétique, ce qui supprime considérablement la température à laquelle l’effet QAH peut être observé et limite les applications futures.

    Plutôt que d’incorporer 3métaux de transition dans le réseau cristallin, une stratégie plus avantageuse consiste à placer deux matériaux ferromagnétiques sur les surfaces supérieure et inférieure d’un isolant topologique 3D. Cela rompt la symétrie d’inversion temporelle dans l’isolant topologique avec un ordre magnétique, et ouvre ainsi une bande interdite dans l’état de surface de l’isolant topologique et donne naissance à un isolant QAH.

    Faire le bon type de sandwich

    Pourtant, induire un ordre magnétique suffisant pour ouvrir un espace important via des effets de proximité magnétiques est difficile en raison de l’influence indésirable du potentiel d’interface abrupt qui se produit en raison de l’inadéquation du réseau entre les matériaux magnétiques et l’isolant topologique.

    « Pour minimiser le potentiel d’interface lors de l’induction d’un ordre magnétique via la proximité, nous devions trouver un ferromagnétique 2D qui possédait des propriétés chimiques et structurelles similaires à l’isolant topologique 3D », explique Qile Li, qui est également doctorant au Australian Research Council Center for Excellence dans les technologies électroniques futures à faible consommation d’énergie (FLEET).

    « De cette façon, au lieu d’un potentiel d’interface abrupt, il y a une extension magnétique de l’état de surface topologique dans la couche magnétique. Cette forte interaction se traduit par une séparation d’échange importante dans l’état de surface topologique du film mince et ouvre un grand espace,  » dit Li.

    Une seule couche septuple de l’isolant topologique magnétique intrinsèque MnBi2Te4 est particulièrement prometteur, car il s’agit d’un isolant ferromagnétique avec une température de Curie de 20 K.

    « Plus important encore, cette configuration est structurellement très similaire à l’isolant topologique 3D bien connu Bi2Te3avec une discordance de réseau de seulement 1 % », déclare le Dr Mark Edmonds, qui est chercheur associé à FLEET.

    L’équipe de recherche s’est rendue dans la partie Advanced Light Source du Lawrence Berkeley National Laboratory à Berkeley, aux États-Unis, où elle a développé les hétérostructures ferromagnétiques/topologiques/ferromagnétiques et a étudié leur structure de bande électronique en collaboration avec le scientifique de la ligne de lumière, le Dr Sung-Kwan Mo.

    « Bien que nous ne puissions pas observer directement l’effet QAH à l’aide de la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES), nous pourrions utiliser cette technique pour sonder la taille de l’ouverture de la bande interdite, puis confirmer qu’elle est d’origine magnétique », explique le Dr Edmonds.

    « En utilisant la photoémission à résolution angulaire, nous pourrions également sonder le gauchissement hexagonal à l’état de surface. Il s’avère que la force du gauchissement dans les fermions de Dirac dans notre hétérostructure est presque deux fois plus grande que dans Bi2Te3 » déclare le Dr Edmonds

    L’équipe de recherche a également pu confirmer la structure électronique, la taille de l’écart et la température à laquelle ce MnBi2Te4/Bi2Te3/MnBi2Te4 l’hétérostructure est susceptible de soutenir l’effet QHE en combinant des observations ARPES expérimentales avec des mesures magnétiques pour déterminer la température de Curie (réalisées par le chercheur associé FLEET, le Dr David Cortie à l’Université de Wollongong) et des calculs de la théorie fonctionnelle de la densité des premiers principes effectués par le groupe du Dr Shengyuan Yang (Université de technologie et de design de Singapour).

    L’étude a été financée par les programmes des centres d’excellence et de bourses DECRA de l’Australian Research Council, tandis que le voyage à Berkeley a été financé par l’Australian Synchrotron.

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