اثر هال کوانتومی غیرعادی در یک عایق توپولوژیکی مغناطیسی ذاتی

اثر هال کوانتومی غیرعادی در یک عایق توپولوژیکی مغناطیسی ذاتی

توپولوژی غیربدیهی نوار می‌تواند در یک عایق توپولوژیکی مغناطیسی با نظم مغناطیسی ترکیب شود تا حالت‌های نامتعارفی از ماده مانند عایق‌های هال کوانتومی غیرعادی (QAH) و عایق‌های محوری را ایجاد کند.

یکی از اهداف فیزیک ماده چگال، یافتن مواد جدید با خواص مفید و اعمال مکانیک کوانتومی برای مطالعه آن‌ها می‌باشد. این حوزه، امکان درک بهتر کاربردهای آهنرباها برای دیسک سخت ذخیره اطلاعات، نمایشگرهای کامپیوتر و دیگر فناوری‌ها را برای فیزیکدانان فراهم می‌کند. کشف اخیر عایق‌های توپولوژیکی، توجه گسترده‌ای را به خود جلب کرده است و محققان پیش‌بینی می‌کنند که تعامل بین حالت عایق توپولوژیکی و فرومغناطیس می‌تواند گستره وسیعی از پدیده‌های مغناطیسی کوانتومی نامتعارف که مورد توجه فیزیک بنیادی و کاربردهای ابزاری است را محقق کند.

در یک گزارش جدید، یوجین دنگ و یک گروه تحقیقاتی از دانشکده‌های فیزیک و فیزیک مواد کوانتومی در چین، انتقال کوانتومی در یک پوسته نازک عایق توپولوژیکی MnBi2O4 با نظم مغناطیسی ذاتی را مورد بررسی قرار دادند. لایه‌های فرومغاطیس در یک بلور واندروالس MnBi2O4 که به صورت لایه‌ای به ضخامت اتمی است، به طور پادموازی با یکدیگر جفت می‌شوند. با این حال، زمانی که نمونه از تعداد فردی از لایه‌های هفت‌گانه تشکیل شده بود، فرومغناطیس می‌شد. این گروه تحقیقاتی، اثر میدان صفر QAH را در نمونه‌ای از پنج لایه‌ی هفت‌گانه در دمای 1.4 کلوین مشاهده کرد. نتایج، نمونه MnBi2O4 را به عنوان بستری ایده‌آل برای بررسی پدیده‌های توپولوژیکی غیر متعارف و دارای تقارن برگشت‌پذیری زمان که به طور خودبخودی شکسته شده، معرفی نمود. این پژوهش در مجله Science منتشر شد.

مواد توپولوژیکی، حاوی حالت‌های کوانتومیِ به طور توپولوژیکی محافظت شده‌ای بوده که در برابر تنش‌های محلی مقاوم هستند. به عنوان مثال، در یک عایق توپولوژیکی (TI) مانند بیسموت تلوراید (Bi2Te3)، توپولوژی نوار توده می‌تواند وجود حالت‌های سطح دو بعدی (2-D) با پراکندگی بدون شکاف دیراک را تضمین کند. دانشمندان با وارد کرد مغناطیس در عایق‌های توپولوژیکی با ناوردایی اولیه برگشت‌پذیری زمانی می‌توانند تغییرات عمیقی را در ساختار الکترونی آن‌ها ایجاد کنند. به عنوان مثال، دانشمندان برای مشاهده تجربی اثر QAH در Bi, Sb)2Te3) دوپ‌شده با کروم، مجبور بودند نسبت عناصر مختلف را در یک ماده غیر استوکیومتری، به طور دقیق کنترل کنند. تنظیم دقیق مواد، نیازمند تطابق ملزومات متفاوتی بوده و بنابراین، محققان مجبور بودند اثر هال کوانتومی غیرمتعارف را در دماهای در حد 2 کلوین، یعنی بسیار پایین‌تر از دمای کوری، به طور دقیق کوانتیده کنند. محققان برای بررسی بیشتر پدیده‌های غنی توپولوژیکی و کاربردهای بالقوه آن‌ها، باید از خاصیت مغناطیسی درونی عایق‌های توپولوژیکی با یک نظم مغناطیسی ذاتی برای مطالعه اثرات توپولوژیکی در بلورهای طبیعی استفاده کنند.

در این کار، دنگ و همکارانش انتقال کوانتومی را در پوسته‌های نازک (با ضخامت یک اتم) از عایق توپولوژیکی مغناطیسی ذاتی MnBi2O4 بررسی کردند. این ماده از یک ترکیب لایه‌ای تترادیمیت سه‌تایی متشکل از لایه‌های هفت‌گانه (Te-Be-Te-Mn-Te-Bi-Te)، تشکیل شده بود. بلور MnBi2O4 نهایی به طور ذاتی مغناطیسی بود و مغناطیس آن از یون‌های +Mn2 در بلور ناشی شده بود. آن‌ها به منظور به حداقل رساندن رسانش موازی توده، پوسته‌های نازکی از MnBi2O4 را مورد مطالعه قرار داده و روی پوسته‌های نازک MnBi2O4 متشکل از تعداد فردی از لایه‌ها تمرکز کردند.

این گروه با یک بلور MnBi2O4 که به روش شارشی رشد داده شده بود، برای بدست آوردن لایه نازک اتمی MnBi2O4، از تراشکاری به کمک Al2O3 استفاده کردند. آن‌ها برای دستیابی به این هدف، یک فیلم نازک Al2O3 را به روش گرمایی روی سطح یک بلور تازه تهیه شده حجیم تبخیر کرده، بلور حجیم را با استفاده از یک نوار رهاسازی گرمایی برداشته و سپس بسته ترکیبی Al2O3/ MnBi2O4 را روی یک قطعه شفاف پُلی دی‌متیل سیلوکسان (PDMS) برای بازرسی میکروسکوپی، رها کردند. پس از آن، آن‌ها این تکه‌های نازک را روی ویفر سیلیکونی که توسط SiO2 پوشانده شده بود، قرار دادند و به دنبال آن، انتقال را اندازه‌گیری کردند. این گروه، به منظور کاهش تخریب نمونه و جلوگیری از قرار گرفتن نمونه در معرض اکسیژن  و آب، فرایند را در یک جعبه غیر قابل نفوذ توسط هوا انجام دادند. آن‌ها سپس مجموعه‌ای غنی از حالت‌های مغناطیسی برای نمونه‌های چندلایه را، به طور گسترده بررسی کردند.

دنگ و همکارانش، اثرِ به خوبی تکامل یافته QAH را در میدان مغناطیسی صفر در یک MnBi2O4 پنج‌لایه از یک نمونه بسیار خالص، مشاهده کردند. آن‌ها خاطر نشان کردند که یک میدان مغناطیسی خارجی با ردیف کردن لایه های فرومغناطیس، کوانتش را به میزان بیشتری بهبود می‌بخشد. ردیف کردن فرومغناطیسی همچنین استحکام اثر QAH در برابر افت و خیزهای گرمایی را افزایش می‌دهد. آن‌ها در میدان مغناطیسی صفر، یک شکاف انرژی بدست آورند که از مقدار آن در فیلم‌های نازک Ti دوپ شده به روش مغناطیسی بیشتر بود، اما با این حال هنوز از شکاف گذار پیش‌بینی شده برای MnBi2O4 بسیار کوچک‌تر بود.

این شکاف انرژی به طور مستقیم، شکاف نوار حالت‌های سطح در بلور را اندازه گیری نمی‌کرد، اما کمترین انرژی مورد نیاز برای تحریک یک الکترون از نوار والانس به نوار رسانش را مشخص می‌نمود. به عنوان مثال، اختلاف زیاد بین این شکاف انرژی و شکاف نوار پیش بینی شده، حاکی از بی‌نظمی های مختلف در نمونه بود. در نتیجه، فضای زیادتری برای افزایش بیشتر مقیاس انرژی اثر QAH در نمونه های طبیعی و با کیفیت MnBi2O4 وجود دارد.

پس از آنکه میدان مغناطیسی اعمال شده، نمونه پنج‌لایه را به طور کامل قطبیده کرد، شکاف انرژی با افزایش میدان مغناطیسی کاهش یافت. حالت‌های QAH به تدریج در چیدمان آزمایشی تکامل یافته و یک قله در ساختار الکترونی نوارهای سطح در خارج از شکاف نوار ایجاد کردند. دنگ و همکارانش تمام حالت‌های مشاهده شده در این مطالعات را از دیدگاهی واحد درک کردند. از آنجا که MnBi2O4 یک ماده لایه‌ای بود، محققان انتظار داشتند روش‌های توسعه مواد دو بعدی برای MnBi2O4 قابل اعمال باشد. در همین راستا، یوجین دنگ و همکارانش پیش‌بینی می‌کنند ساختارهای ناهمگنِ وان دروالس که باعث مجتمع‌سازی MnBi2O4 با دیگر مواد دوبعدی مغناطیسی/ابررسانا می‌شوند، زمینه پرباری را برای کاوش پدیده های کوانتومی توپولوژیکی نامتعارف ایجاد کنند.
منبع: phys.org
 
كلمات كليدي :
اثر کوانتومی هال
 
امتیاز دهی
 
 

نظر شما
نام  
پست الكترونيک
وب سایت
متنی که در تصویر می بینید عینا تایپ نمایید
نظر
login