Science: 低溫強(qiáng)磁場(chǎng)磁力顯微鏡—調(diào)控拓?fù)渚夡w磁疇壁手性邊界態(tài)
拓?fù)渚夡w,顧名思義是緣的,有趣的是在它的邊界或表面總是存在導(dǎo)電的邊緣態(tài),這是拓?fù)渚夡w的*性質(zhì)。近期,理論預(yù)測(cè)存在的拓?fù)渚夡w在實(shí)驗(yàn)上被證實(shí)存在于二維與三維材料中,引起了科研界的大量關(guān)注。通常二維電子氣體系中存在著量子霍爾效應(yīng),實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到了手性邊界態(tài)存在于材料的邊界。在三維體材料的拓?fù)渚夡w中實(shí)驗(yàn)上可觀測(cè)到反常量子霍爾效應(yīng)。
K. Yasuda, Y. Tokura等人用德國attocube公司的低溫強(qiáng)磁場(chǎng)磁力顯微鏡attoMFM在0.5K溫度與0.015T磁場(chǎng)環(huán)境下,證實(shí)了拓?fù)渚夡w磁疇壁的手性邊界態(tài)的可調(diào)控性能,不同于之前實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到的拓?fù)渚夡w中自然形成隨機(jī)分布的磁疇中的手性邊界態(tài)。Y. Tokura等人基于Cr-摻雜 (Bi1-ySby)2Te3制備了拓?fù)渚夡w薄膜,基底是InP(如圖1C)。圖1D為在0.5K低溫下使用MFM測(cè)量的材料中的磁疇分布,可以清晰看到自然形成的隨機(jī)分布的大小與形貌不的磁疇。通過使用MFM磁性探針的針尖在0.015T的磁場(chǎng)環(huán)境下掃描樣品區(qū)域成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料磁疇的調(diào)控。圖1F為調(diào)控后樣品的磁疇情況,被探針掃描過的區(qū)域,磁疇方向保持致。
圖1: A&B 拓?fù)渚夡w磁疇調(diào)控示意圖;C 拓?fù)渚夡w材料結(jié)構(gòu);D attoMFM實(shí)驗(yàn)觀測(cè)自然形成多個(gè)磁疇; E&F MFM探針調(diào)控磁疇
該拓?fù)渚夡w磁疇反轉(zhuǎn)的性能隨磁場(chǎng)大小變化的結(jié)果也被仔細(xì)研究。通過緩慢改變磁場(chǎng),不同磁場(chǎng)下拓?fù)渚夡w樣品的磁疇方向可清楚地被證實(shí)發(fā)生了反轉(zhuǎn)(見圖2)。通過觀察,隨機(jī)分布?xì)馀轄畲女牐?.06T磁場(chǎng)附近)般的大小在200納米左右。
圖2: A 霍爾器件電測(cè)量結(jié)果;B attoMFM觀測(cè)不同磁場(chǎng)下拓?fù)渚夡w的磁疇情況
不僅通過attoMFM直觀觀測(cè)分析磁疇手性邊界態(tài)調(diào)控,電學(xué)輸運(yùn)結(jié)果也證實(shí)手性邊界態(tài)的調(diào)控。圖3為在溫度0.5K的時(shí)候,拓?fù)渚夡w電學(xué)器件以及相應(yīng)的電學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)表明,霍爾電阻可被調(diào)控為是正負(fù)h/e2的數(shù)值,證實(shí)了不同磁疇的手性邊界態(tài)的調(diào)控被實(shí)現(xiàn)。作者預(yù)見,該實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于低消耗功率自旋電子器件的研究提供了種可能的途徑。
圖3:拓?fù)渚夡w制備器件反常量子霍爾效應(yīng)結(jié)果證實(shí)磁疇手性邊界態(tài)調(diào)控
圖4:拓?fù)渚夡w磁疇手性邊界態(tài)調(diào)控相關(guān)設(shè)備—低溫強(qiáng)磁場(chǎng)原子力磁力顯微鏡
低溫強(qiáng)磁場(chǎng)原子力磁力顯微鏡attoAFM/MFM主要技術(shù)點(diǎn):
-溫度范圍:mK...300 K
-磁場(chǎng)范圍:0...12T (取決于磁體)
-樣品定位范圍:5×5×5 mm³
-掃描范圍: 50×50 μ㎡@300 K, 30×30μ㎡@4 K
-商業(yè)化探針
-可升PFM, ct-AFM, SHPM, CFM等功能
參考文獻(xiàn):
“Quantized chiral edge conduction on domain walls of a magnetic topological insulator” K. Yasuda, Y. Tokura et al, Science 358, 1311–1314 (2017)
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