ÚC – Khắc phục tình trạng mất cân bằng từ tính là chìa khóa để khai thác các tính chất độc đáo của chất cách điện QAH (Quantum anomalous Hall).

Một nhóm nghiên cứu do đại học Monash đứng đầu, đã chứng minh sự cố mất khả năng bảo vệ cấu trúc là do rối loạn từ tính và có thể được phục hồi bằng cách áp dụng từ trường ổn định.

Tác giả chính của dự án FLEET, ứng viên Tiến sĩ Qile Li (tại đại học Monash) cho biết: “Nghiên cứu này mở ra một lộ trình nghiên cứu hướng tới việc sử dụng chất cách điện tôpô từ tính nội tại MTI trong thiết bị điện tử tôpô (1) năng lượng thấp”.
(1) Chất cách điện tôpô: là vật liệu mà bên trong hoạt động như một chất cách điện, trong khi bề mặt của nó hoạt động như một chất dẫn điện, có nghĩa là các điện tử chỉ có thể di chuyển dọc theo bề mặt của vật liệu.

Trở ngại
Khi kết hợp, từ tính và cấu trúc có thể tạo ra hiệu ứng Hall bất thường lượng tử (QAHE – quantum anomalous Hall effect) cho phép dòng điện chạy mà không có điện trở dọc theo các cạnh một chiều trên khoảng cách vĩ mô.

Tuy nhiên, dòng điện chạy dọc theo các cạnh một chiều được bảo vệ cấu trúc này đã được chứng minh là không hề mạnh, khi hiệu ứng QAHE bị phá vỡ trong các chất cách điện cấu trúc được pha tạp từ tính ở nhiệt độ cao hơn 1 Kelvin (2), thấp hơn nhiều so với nhiệt độ dự đoán theo lý thuyết.
(2) Kelvin (K): Nhiệt độ màu Kelvin là một đại lượng đặc trưng của ánh sáng, cho biết ánh sáng phát ra có màu gì, là ánh sáng ấm hay lạnh.

Một loại vật liệu mới, được gọi là chất cách điện tôpô từ tính nội tại (MTI – magnetic topological insulators), ví dụ như MnBi2Te4, sở hữu cả cấu trúc của chất cách điện tôpô và từ tính nội tại, được dự đoán sẽ tạo hiệu ứng QAHE mạnh mẽ hơn ở nhiệt độ cao hơn so với chất cách điện tôpô được pha tạp từ tính.

Trong chất cách điện tôpô từ tính nội tại MnBi2Te4, các nhà khoa học đã chứng minh rằng hiệu ứng QAHE có thể tồn tại ở nhiệt độ lên tới 1,4 K và điều thú vị là nhiệt độ này có thể tăng lên tới 6,5 K khi áp dụng từ trường ổn định, cung cấp gợi ý về các cơ chế thúc đẩy sự phá vỡ lớp bảo vệ tôpô.

Tuy nhiên, nhiệt độ 6,5 K vẫn còn thấp hơn nhiều so với 25 K được dự đoán theo lý thuyết. Để đưa những vật liệu này tiến tới các ứng dụng tiềm năng, cần phải nâng nhiệt độ đó lên giới hạn cứng được đặt ra bởi năng lượng khoảng cách dải từ và nhiệt độ chuyển tiếp từ. Và điều này đòi hỏi phải hiểu rõ hơn về các cơ chế chính xác liên quan đến sự phá vỡ bảo vệ tôpô ở bề mặt vật liệu.

Bản đồ độ dẫn điện được chụp bằng kính hiển vi quét đường nhiệt độ cho thấy trạng thái cạnh không có khoảng trống và sự kết hợp của nó với trạng thái khối kim loại.

Nghiên cứu sự tương tác giữa sự rối loạn bề mặt, sự dao động khoảng cách dải và trạng thái cạnh
Để hiểu đầy đủ những gì đang xảy ra, nhóm nghiên cứu do đại học Monash đứng đầu đã sử dụng phép đo trực tiếp, chính xác đến cấp độ nguyên tử về sự tương tác giữa sự hỗn loạn bề mặt, biến động cục bộ trong năng lượng khoảng cách dải và trạng thái cạnh bất đối xứng.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi quét đường nhiệt độ thấp và quang phổ (STM/STS – scanning tunnelling microscopy and spectroscopy) để nghiên cứu màng siêu mỏng năm lớp của chất cách điện tôpô từ tính nội tại MnBi2Te4.

Các nhà khoa học đã nghiên cứu cách khoảng cách dải dao động tại vị trí các khuyết tật tinh thể, cũng như ở rìa và bên trong của màng năm lớp – để hiểu nguyên nhân có thể gây ra hiệu ứng QAHE.

Nhóm nghiên cứu cũng áp dụng từ trường thấp, quan sát khoảng cách dải và hiệu ứng QAHE có thể được khôi phục.

Từ trường được áp dụng thấp hơn nhiều so với quá trình chuyển đổi spin-flop đối với chất cách điện tôpô từ tính nội tại MnBi2Te4.

Kết quả trong chất MnBi2Te4 năm lớp cho thấy một phản diện từ tính
Nhóm nghiên cứu đã tìm thấy những biến động tầm xa trong năng lượng khoảng cách dải ở bên trong màng, dao động từ 0 (không có khoảng cách) đến 70 MeV, và không tương quan với từng khuyết tật bề mặt.

Quan sát trực tiếp hiện tượng bảo vệ cấu trúc cho thấy trạng thái cạnh không có khoảng trống, đặc điểm nổi bật của chất cách điện QAH, lai hóa với các vùng không có khoảng trống mở rộng trong khối.

Những kết quả này chứng minh rằng:
Trạng thái cạnh không có khoảng trống trong chất MnBi2Te4 được kết hợp trực tiếp với các vùng kim loại khối thẩm thấu mở rộng phát sinh từ các biến động khoảng trống dải do sự rối loạn bề mặt từ tính.

Biến động khoảng cách dải có thể được giảm đáng kể bằng cách áp dụng từ trường, tăng khoảng cách trao đổi trung bình lên 44 MeV, gần với giá trị dự đoán.

Minh họa cách thức dao động của khoảng cách trao đổi gây ra bởi sự rối loạn từ trường bề mặt, có thể được giảm đáng kể bằng cách áp dụng từ trường vuông góc.

Tiến sĩ Mark Edmonds (tại đại học Monash), đồng tác giả của dự án FLEET, cho biết: “Những kết quả này cung cấp thông tin sâu sắc về cơ chế phá vỡ cấu trúc và cách phục hồi cơ chế này trong từ trường”.

Những phát hiện nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Advanced Materials.

Để xem các tin bài khác về “Chất cách điện”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online