Science: 低溫強磁場磁力顯微鏡—調控拓撲絕緣體磁疇壁手性邊界態

2020-11-23 儀器信息網

拓撲絕緣體，顧名思義是絕緣的，有趣的是在它的邊界或表面總是存在導電的邊緣態，這是拓撲絕緣體的獨特性質。近期，理論預測存在的拓撲絕緣體在實驗上被證實存在於二維與三維材料中，引起了科研界的大量關注。通常二維電子氣體系中存在著量子霍爾效應，實驗中觀測到了手性邊界態存在於材料的邊界。在三維體材料的拓撲絕緣體中實驗上可觀測到反常量子霍爾效應。

K. Yasuda, Y. Tokura等人利用德國attocube公司的低溫強磁場磁力顯微鏡attoMFM在0.5K溫度與0.015T磁場環境下，證實了拓撲絕緣體磁疇壁的手性邊界態的可調控性能，不同於之前實驗上觀測到的拓撲絕緣體中自然形成隨機分布的磁疇中的手性邊界態。Y. Tokura等人基於Cr-摻雜 (Bi1-ySby)2Te3製備了拓撲絕緣體薄膜，基底是InP（如圖1C）。圖1D為在0.5K極低溫下使用MFM測量的材料中的磁疇分布，可以清晰看到自然形成的隨機分布的大小與形貌不一的磁疇。通過使用MFM磁性探針的針尖在0.015T的磁場環境下掃描樣品區域成功實現了對材料磁疇的調控。圖1F為調控後樣品的磁疇情況，被探針掃描過的區域，磁疇方向保持一致。

圖1： A&B 拓撲絕緣體磁疇調控示意圖；C 拓撲絕緣體材料結構；

D attoMFM實驗觀測自然形成多個磁疇； E&F MFM探針調控磁疇

該拓撲絕緣體磁疇反轉的性能隨磁場大小變化的結果也被仔細研究。通過緩慢改變磁場，不同磁場下拓撲絕緣體樣品的磁疇方向可清楚地被證實發生了反轉（見圖2）。通過觀察，隨機分布氣泡狀磁疇（0.06T磁場附近）一般的大小在200納米左右。

圖2： A 霍爾器件電測量結果；B attoMFM觀測不同磁場下拓撲絕緣體的磁疇情況

不僅通過attoMFM直觀觀測分析磁疇手性邊界態調控，電學輸運結果也證實手性邊界態的調控。圖3為在溫度0.5K的時候，拓撲絕緣體電學器件以及相應的電學測量數據。數據表明，霍爾電阻可被調控為是正負h/e2的數值，證實了不同磁疇的手性邊界態的調控被實現。作者預見，該實驗結果對於低消耗功率自旋電子器件的研究提供了一種可能的途徑。

圖3：拓撲絕緣體製備器件反常量子霍爾效應結果證實磁疇手性邊界態調控

圖4：拓撲絕緣體磁疇手性邊界態調控相關設備—低溫強磁場原子力磁力顯微鏡

 

低溫強磁場原子力磁力顯微鏡attoAFM/MFM主要技術特點：
-溫度範圍：mK...300 K
-磁場範圍：0...12T (取決於磁體)
-樣品定位範圍：5×5×5 mm3
-掃描範圍: 50×50 μ㎡@300 K, 30×30μ㎡@4 K
-商業化探針
-可升級PFM, ct-AFM, SHPM, CFM等功能

 

參考文獻：
「Quantized chiral edge conduction on domain walls of a magnetic topological insulator」 K. Yasuda, Y. Tokura et al, Science 358, 1311–1314 (2017)

 

相關產品及連結：
1、低溫強磁場原子力/磁力/掃描霍爾顯微鏡：
http://www.instrument.com.cn/netshow/C159542.htm
2、低溫強磁場無液氦掃描探針顯微鏡系統：
http://www.instrument.com.cn/netshow/C273802.htm

相關焦點

  • Science: 調控拓撲絕緣體磁疇壁手性邊界態
    Tokura等人利用德國attocube公司的低溫強磁場磁力顯微鏡attoMFM在0.5K溫度與0.015T磁場環境下，證實了拓撲絕緣體磁疇壁的手性邊界態的可調控性能，不同於之前實驗上觀測到的拓撲絕緣體中自然形成隨機分布的磁疇中的手性邊界態。Y. Tokura等人基於Cr-摻雜 (Bi1-ySby)2Te3製備了拓撲絕緣體薄膜，基底是InP（如圖1C）。
  • 低溫強磁場磁力顯微鏡與共聚焦顯微鏡
    磁場驅動的磁疇結構變化研究　　最近，挪威科技大學ErikFolven的課題組使用了德國attocube公司的attoAFMI低溫強磁場原子力磁力顯微鏡研究了閉環低溫恆溫器attoDRY1000內的拓撲缺陷，該拓撲缺陷研究有助於材料的磁疇狀態變化的進一步理解。
  • 我國科學家研製出高場磁體中可旋轉磁力顯微鏡
    近期，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場中心陸輕鈾課題組自主研製成功超導磁體中的可整體旋轉磁力顯微鏡（MFM），即探針與樣品一同在磁場中旋轉，磁場方向在平行於樣品與垂直於樣品間連續變化，從而在非矢量型超導磁體中實現材料磁疇結構相對於磁場方向不同角度的各向異性成像測量。
  • 東南大學教授發現新型一維拓撲保護邊界態
    而拓撲保護邊界態是由於整體拓撲效應所導致的全新態，它的發現拓寬了人們對物態的認識，而其最激動人心的應用之一就是實現具有強大容錯能力的拓撲量子計算。該團隊著眼於這三個研究方向中最本質和關鍵的問題，將之有機結合，利用量子光源和線性光學體系首次實現了開放系統中具有宇稱-時間對稱性的量子行走，通過對量子行走的參數的控制，觀測到新型一維拓撲保護邊界態，並證明了其對於擾動和無序失調（disorder）的魯棒性。
  • 科學家實現聲二階拓撲絕緣體—新聞—科學網
    日前，南京大學教授盧明輝、陳延峰團隊與蘇州大學教授蔣建華團隊合作，在聲子晶體中發現二階拓撲相和多維拓撲相變，相關研究成果近日在線發表於《自然-物理》。
  • 科研人員實現三維手性拓撲絕緣體的量子模擬
    最近，北京大學量子材料科學中心劉雄軍組和中國科學技術大學杜江峰及王亞組利用量子淬火動力學模擬了凝聚態體系中難以實現的三維手性拓撲絕緣體，並第一次對體內和表面的拓撲物理進行了全面的量子模擬研究。拓撲材料的基本特性是在體內具有非平凡拓撲，邊界則出現和體拓撲相對應的邊界態。在過去的十多年裡，人們在尋找新奇拓撲物質方面取得了大量突破，發現了諸多新的拓撲相。儘管如此，在理論預言的眾多拓撲物態中，目前仍只有很小的一部分在凝聚態實驗中被觀察到。量子模擬作為一種前沿的技術，可以超越真實體系所受的限制，為探索和研究各種奇異的量子物相提供了一種強有力的手段。
  • Science: 掃描探針顯微鏡控制器在二維磁性材料研究中的突破性應用...
    範德瓦爾斯堆疊的雙層石墨烯具有一系列新奇的電學性質（例如，電場可調控的能隙、隨扭轉轉角變化的範霍夫奇點以及一維拓撲邊界態等）。當雙層石墨烯的扭轉轉角減小到一系列特定的值（魔角）時，體系的費米面附近出現平帶，電子在能量空間高度局域，電子-電子相互作用顯著增強，出現莫特絕緣體和反常超導量子物態。
  • 《二維材料、拓撲絕緣體、超導等材料在極端環境下的表徵 - 極低溫...
    藉助極低溫強磁場原子力磁力(AFM/MFM)顯微鏡技術，科學家們能夠從物質結構、物理特性、溫度、磁場、電學、光學、微波等多個物理維度實現對樣品性能的表徵，從而揭示出很多基本物理現象和原理的來源。在本報告中，我們將從極低溫強磁場AFM/MFM技術特點出發，結合來自Nature、Science、PRL等著名期刊中的文獻，介紹上極低溫強磁場AFM/MFM技術在二維材料、拓撲絕緣體、超導材料等方面的最新科研進展。
  • 中國科大在高階拓撲絕緣體理論研究中取得新突破
    對於一個有開放邊界的二維拓撲絕緣體，其邊界上有一對自旋相反受時間反演對稱保護的相向傳輸的邊界態。近期，結合對稱性和材料資料庫的高通量計算報導了幾十種二維拓撲絕緣體材料。其中，絕大多數已發現的材料體系可以被這兩種理論模型有效地描述。隨著拓撲絕緣體這一概念的持續推廣，使得廣泛存在於二維和三維層狀材料體系中的新型拓撲相被不斷發現。
  • 進展|鐵磁金屬/拓撲絕緣體異質結中自旋流——電荷流轉換效率調製...
    由於拓撲絕緣體中存在強自旋-軌道耦合，從而導致「自旋-動量鎖定」狄拉克表面態的形成。當三維自旋流從相鄰鐵磁層注入到具有自旋手性結構的狄拉克表面時，通過逆埃德爾施泰因效應產生二維電荷流。自旋流--電荷流的轉換效率等於狄拉克費米子的費米速度和自旋-動量散射時間的乘積，即。
  • 物理所高壓誘導拓撲絕緣體碲化鉍超導性研究取得新進展
    最近，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）超導國家重點實驗室趙忠賢院士、孫力玲研究員及博士研究生張超等與周興江研究員及博士生陳朝宇合作，利用自主研製的先進的低溫－高壓－磁場綜合測量系統，對拓撲絕緣體Bi2Te3單晶進行了系統的研究。通過高壓原位磁阻和交流磁化率的雙重測量，研究了壓力誘導的拓撲絕緣體至超導體的轉變。
  • 「前沿技術」鐵石榴石中的手性磁性與電驅動疇壁
    ---------- 獲取更多信息，請關注我們----------受美國DARPA「電子拓撲激勵」項目資助，麻省理學院的研究人員通過實驗證實，具有垂直方向各向異性磁性的鐵石榴石薄膜中存在純手性Néel磁疇壁，
  • 物理所拓撲絕緣體材料生長調控和輸運性質研究獲系列進展
    矽是最重要的半導體材料，以Si為襯底的材料或許有利於將來拓撲絕緣體器件與當前的半導體器件技術集成。相關工作發表於Appl. Phys. Lett. (2009) [1].薄膜材料相比體材料的一個重要優勢是可以使用柵電壓調節費米能級的位置。柵電壓調控可以有頂柵和背柵兩種。
  • 拓撲絕緣體或構建光子「高速公路」
    1月10日，中新研究團隊通過聯合攻關，設計出一種特殊結構的人工電磁單元，構建出三維光學拓撲絕緣體，首次將三維拓撲絕緣體從費米子體系擴展到了玻色子體系。相關成果發布在《自然》上。　　這條三維世界光子的「高速公路」為「Z」字形，但光子在傳播時，能夠無障礙地繞過「Z」形拐角。
  • 科學家發現新的新的拓撲絕緣體—鉍
    拓撲絕緣體是一種內部絕緣，界面允許電荷移動的材料。 任何雜質和缺陷都不會影響電流的傳導，對電場和磁場的響應也不同尋常。拓撲絕緣體及其物理現象是當代物理學的熱點問題，研究這些獨特的性質是對高性能電子和量子計算等領域有著無窮的價值。
  • 物理所提出拓撲晶體絕緣體中的d-2維邊界態
    這種拓撲態因具有一維拓撲表面態而區別於已知的三維拓撲絕緣體。相關成果發表在《物理評論快報》上，並且被選為編輯推薦。　　在目前已知的全部拓撲絕緣體（包括拓撲晶體絕緣體Topological crystalline insulators）中，若拓撲態本身是d維的，其對應的拓撲表面態便是d-1維的。
  • 重磅推出:低溫強磁場原子力/共聚焦顯微鏡,mK級乾式稀釋制冷機內適用
    圖1 attoAFM/CFM低溫強磁場原子力/共聚焦顯微鏡示意圖    近期，德國attocube公司與萊頓Patrick Maletinsky課題組合作推出了mK乾式稀釋制冷機適用低溫強磁場原子力/共聚焦顯微鏡（參見圖1）。該系統在瑞士巴塞爾持續為量子傳感器以及mK成像研究提供幫助。設備採用了頂端進樣的關鍵設計，為快速進行樣品與探針的更換提供了保證。底部進樣一般需要24-28小時，而頂端進樣更換樣品只需8小時。該關鍵設計使得極低溫掃描探針顯微鏡實驗變得更加具有時間效率。
  • 科學網—拓撲絕緣體或構建光子 「高速公路」
    ，首次將三維拓撲絕緣體從費米子體系擴展到了玻色子體系。 論文第一作者、浙江大學信息與電子工程學院博士楊怡豪告訴《中國科學報》，他本人對拓撲光學一直很有興趣，並表示拓撲絕緣體自提出以來一直是凝聚態領域的一大研究熱點。 拓撲絕緣體介於導體和絕緣體之間，其內部表現為絕緣體，而材料表面表現為導體。其表面電流源於材料內部電子能帶的拓撲特性，能夠對缺陷、拐角、無序等「免疫」，故而實現電子的高效運輸。
  • 石墨烯納米帶近年來成果集錦：7篇Science/Nature
    通過掃描隧道顯微鏡和相關光譜方法驗證了該連續步驟實現了之字形邊界的扶手椅型結構平面GNR，並且作者發現了GNR和金紅石TiO2基底之間的弱相互作用。/24/science.abb8880 2.Nature背靠背：石墨烯納米帶拓撲能帶調控！傳說，有了馬約拉納費米子，理論上就可以做拓撲量子計算，就可以造量子計算機，電腦的速度就會呈指數增加。而馬約拉納費米子的一種實現方式，就是通過拓撲材料，包括絕緣體或拓撲超導體。2018年8月8日，Nature連刊兩文，分別報導了來自美國加州大學伯克利分校Steven G.