Un equipo multiinstitucional de investigadores ha descubierto un nuevo comportamiento magnético en la superficie de un material especializado que promete dispositivos más pequeños y más eficientes y otra tecnología avanzada.
Los investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía, el Instituto de Tecnología de Massachusetts y sus colaboradores utilizaron la dispersión de neutrones para revelar momentos magnéticos en materiales aislantes topológicos híbridos TI a temperatura ambiente, cientos de grados Fahrenheit más cálidos que el extremo bajo cerofrío donde se espera que ocurran las propiedades.
El descubrimiento promete nuevas oportunidades para dispositivos electrónicos y espintrónicos de próxima generación, como transistores mejorados y tecnologías de computación cuántica. Su investigación se analiza en un artículo publicado en la revista Naturaleza .
Los TI son materiales relativamente nuevos, dijo Valeria Lauter, coautora e investigadora científica de la fuente de neutrones Spallation, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en ORNL. Una propiedad única de los TI es que los electrones pueden fluir en la superficie sin disiparse, mientras queLa mayor parte del material sirve como aislante eléctrico, ideal para materiales semiconductores.
"Las propiedades de los TI son fantásticas", dijo Lauter, "pero para usarlas en dispositivos necesitamos poder introducir el magnetismo en la superficie sin alterar las propiedades aislantes del material".
Esto se puede lograr de dos maneras: mediante dopaje de impurezas, donde se incorporan átomos magnéticos en la superficie de TI, o mediante acoplamiento de proximidad, donde se induce el magnetismo al interconectar el TI con una capa de película aislante ferromagnética.
Sin embargo, el primer método presenta un problema. El dopaje puede causar grupos magnéticos si los átomos no están distribuidos uniformemente, lo que resulta en una capacidad de control de transporte de electrones disminuida. El acoplamiento de proximidad, por otro lado, puede obtenerse en interfaces limpias y atómicamente nítidas con cristales cristalinosorientaciones entre dos materiales.
Utilizando el método de acoplamiento de proximidad, los colaboradores de Lauter en el Instituto de Tecnología de Massachusetts diseñaron heteroestructuras híbridas de doble capa de selenuro de bismuto Bi2Se3 TI combinados con un aislante ferromagnético FMI de sulfuro de europio EuS. Las direcciones de giro definitivas del FMI en proximidadpara que el TI permita un flujo de electrones sin disipación, polarizado por espín es decir, magnético en una capa delgada cerca de la interfaz. Ese matrimonio forma una relación mutuamente magnética, dijo Lauter, aunque es difícil de establecer.
"El primer desafío es hacer crecer el sistema", dijo. "El segundo es medir su magnetismo; no es algo fácil de hacer cuando las pequeñas señales magnéticas están ocultas entre dos materiales".
El EuS a granel en sí mismo presenta un desafío particular ya que está limitado por una baja temperatura de Curie Tc, la temperatura a la cual un material deja de demostrar un comportamiento ferromagnético, en este caso una temperatura de aproximadamente 17 kelvins 17 K,o negativo 430 grados Fahrenheit, muy por debajo de una temperatura ambiente adecuada para dispositivos electrónicos.
Para identificar las señales magnéticas ocultas, Lauter utilizó una técnica de reflectometría de neutrones polarizados PNR en el instrumento Reflectómetro de magnetismo en la línea de haz SNS 4A. Los neutrones son muy adecuados para este tipo de detección debido a su sensibilidad al magnetismo y su capacidad innatapara pasar a través de materiales de una manera no destructiva, aclarando perfiles de profundidad estructural y magnética. Del mismo modo, PNR es adecuado para estudiar interfaces Bi2Se3-EuS porque es la única técnica que puede medir el valor absoluto de los momentos magnéticos en los materiales.
Las primeras medidas de muestra se tomaron a 5 K, muy por debajo de la Tc EuS de 16,6 K. A partir de ahí, Lauter tomó medidas por encima de la Tc, comenzando a 25 K, y para su sorpresa, el sistema todavía era muy magnético.
"Esto fue bastante inesperado. Por encima de esta temperatura [16.6 K] nada en el sistema debería ser magnético", dijo Lauter. "Así que medí a 35 K, luego a 50 K, y todavía era magnético. Medí todo el caminohasta temperatura ambiente [300 K, 80 F] en varios puntos y vi que todavía estaba presente una pequeña magnetización "
Lauter señala a temperatura ambiente que el nivel de magnetismo se reduce en más de un factor de 10 en comparación con su valor de 5 K. Sin embargo, dice, sigue siendo sustancial considerando que no se encuentra magnetismo en las capas de EuS por encima de 50 K sin la interfaz TI.
Para corroborar los resultados, se tomaron mediciones posteriores usando diferentes muestras con combinaciones de espesores variables. A lo largo de los experimentos, los neutrones revelaron que el ferromagnetismo se extiende aproximadamente 2 nanómetros en el Bi2Se3 desde la interfaz.
"Este descubrimiento podría abrir nuevas puertas para diseñar dispositivos espintrónicos", dijo Lauter. "También se cree que los estados de superficie ferromagnética en TI permiten la aparición de fenómenos exóticos como los fermiones de Majorana, bloques de construcción potenciales para computadoras cuánticas".
"Estas son solo las propiedades que conocemos hoy, y seguimos encontrando aún más"
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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