東京工業(yè)大學的科學家闡明了拓撲絕緣子的磁性能與其電子能帶結(jié)構之間的關系。他們的實驗結(jié)果為有關這些材料中能帶結(jié)構隨溫度變化的最新辯論提供了新的見識，這些材料表現(xiàn)出不尋常的量子現(xiàn)象，并被認為在下一代電子，自旋電子學和量子計算機中至關重要。

拓撲絕緣體具有表面導電但內(nèi)部絕緣的特性。這種看似簡單，獨特的特性使這些材料可以容納大量奇特的量子現(xiàn)象，這些現(xiàn)象對于量子計算機，自旋電子學和先進的光電系統(tǒng)很有用。

但是，要解鎖某些不尋常的量子特性，必須在拓撲絕緣體中感應磁性。換句話說，需要實現(xiàn)材料中電子相互對準的某種“順序”。2017年，提出了實現(xiàn)這一壯舉的新方法。所謂的“磁性延伸”技術是指將磁性材料的單層插入拓撲絕緣體的最頂層，從而避免了由其他可用方法(如摻雜磁性雜質(zhì))引起的問題。

不幸的是，磁性擴展的使用導致了關于所得材料的電子帶結(jié)構的復雜問題和矛盾的答案，這決定了電子的可能能級并最終決定了材料的導電性能。已知拓撲絕緣子在其電子能帶結(jié)構中表現(xiàn)出所謂的狄拉克錐(DC)，該錐帶類似于兩個彼此面對的錐。理論上，普通拓撲絕緣子沒有直流電，但是由于感應磁場而變得空缺。但是，科學界尚未就兩個錐形尖端之間的間隙與材料的磁性特征之間的相關性達成實驗共識。

為了解決這一問題，最近，來自多所大學和研究機構的科學家進行了一項由日本東京科技大學的Tos Hirahara副教授領導的合作研究。他們通過在經(jīng)過充分研究的拓撲絕緣體 Bi 2 Te 3上沉積Mn和Te來制造磁性拓撲結(jié)構。科學家認為，額外的Mn層將與Bi 2 Te 3相互作用更強，并且新興的磁性可能歸因于DC間隙的變化，正如Hirahara解釋說：“我們希望牢固的層間磁相互作用將導致這種情況。與以前的研究相比，磁性能和直流間隙之間的對應關系是明確的。”

通過檢查樣品的電子能帶結(jié)構和光發(fā)射特性，他們證明了直流間隙如何隨溫度升高而逐漸閉合。此外，他們分析了樣品的原子結(jié)構，發(fā)現(xiàn)了兩種可能的構型，即MnBi 2 Te 4 / Bi 2 Te 3和Mn 4 Bi 2 Te 7 / Bi 2 Te 3，后者是造成直流間隙的原因。

但是，一個令人困惑的發(fā)現(xiàn)是，直流間隙閉合的溫度遠高于臨界溫度(TC)，在該溫度以上，材料失去了永久的磁序。這與先前的研究形成了鮮明的對比，先前的研究表明，在高于材料的TC的溫度下，DC間隙仍可以打開而不閉合。Hirahara在此說明：“我們的結(jié)果首次顯示，TC上方的遠距離磁階損失與DC間隙閉合無關。”

盡管需要進一步努力闡明直流間隙的性質(zhì)與磁性能之間的關系，但這項研究是朝正確方向邁出的一步。希望對這些量子現(xiàn)象有更深入的了解，將有助于我們?yōu)橄乱淮娮訉W和量子計算獲得拓撲絕緣體的力量。