轴子绝缘体MnBi2Te4中的无耗散层电子学

发布时间：2024-08-16 14:36:58 栏目：精选知识

导读 基于量子力学的基本原理，人们已经能够通过操纵载流子内部的自由度来调控其输运行为，从而设计和制备具有特殊功能的电子器件，这些量子电子...

基于量子力学的基本原理，人们已经能够通过操纵载流子内部的自由度来调控其输运行为，从而设计和制备具有特殊功能的电子器件，这些量子电子器件在信息存储、处理和传输方面的性能已经超越了传统半导体器件，具有能耗低、效率高的显著优势。目前，自旋电子学和谷电子学是通过操纵自旋和谷自由度来构建量子电子器件的两种方案，在低能耗器件和量子计算领域显示出巨大的潜力。尽管如此，自旋电子学和谷电子学仍然存在局限性。在自旋电子学中，通过控制电流实现自旋极化反转的Datta-Das自旋场效应晶体管由于技术缺陷而未能成功制备。在谷电子学中，目前尚无有效的方法实现两个能谷之间的谷极化完全反转。因此，寻找自旋和谷之外的新自由度来建立相应的输运机制，构建更高性能的电子器件是一个广受关注的问题。



最近的一项实验研究报道了在本征反铁磁轴子绝缘体(AI)材料MnBi 2 Te 4中实现了异常层极化霍尔效应[ Nature 595, 521 (2021) ]。这一进展使人们意识到除了自旋和谷之外，电子的空间自由度(这里指层自由度)也可以灵活调控，有望利用这一点构筑新型电子器件。然而层极化电荷传输不受拓扑保护，在能量损耗和工作效率方面并不具备显著优势。因此，能否利用拓扑保护的元激发无耗散地操控层自由度是层电子学中高性能器件制备的关键问题。

近日，复旦大学理论物理与信息科学交叉中心/北京大学国际量子材料中心谢晓晨教授、蒋华教授研究团队在AI MnBi 2 Te 4材料中开展了层电子学器件设计的理论研究。该研究建立了“层电子学”概念，利用MnBi 2 Te 4材料中层极化手性拓扑畴壁模式设计了层滤波器、层阀和层反转器等原型器件。与自旋电子学和谷电子学相比，层电子学器件更稳定、能耗更低，可用于信息编码、处理和存储，是制备高效低功耗新一代电子器件的可行方案。该工作以“轴子绝缘体MnBi 2 Te 4中的无耗散层电子学”为题发表在《国家科学评论》 2024年第11期。复旦大学蒋华教授和北京大学博雅博士后项目博士后龚明为共同通讯作者，龚明和苏州大学博士后李帅为共同第一作者，其他合作者包括西北大学程曙光教授。

该研究表明，偶数层MnBi 2 Te 4反铁磁畴壁上存在受拓扑保护的层极化一维畴壁模式，模式的手性内在锁定在层自由度上，这构成了无耗散操控层自由度和层电​​子学器件设计的关键。利用这些一维畴壁模式，研究团队提出了三种基本器件的设计：层滤波器、层阀和层反转器[见图1]。层滤波器可通过由单个MnBi 2 Te 4反铁磁畴壁组成的两端器件实现。当施加正或负偏压时，位于不同表面的手性模式参与传输，形成层极化电子电流，可用于过滤携带特定层信息的电流信号。层阀器件可通过两对具有相反手性畴壁模式的MnBi 2 Te 4磁畴壁组合而成。通过独立调节磁畴壁的费米能量，可以打开或关闭层极化电流。最后，借助铁磁MnBi 2 Te 4中的陈绝缘体态，可以链接上下表面的手性畴壁模式，从而构建反转层极化电流(在上下表面之间转换电流)的层反转器器件。这些层电子学器件的基础设计为层电子学的建立和层自由度的​​无耗散调控提供了理论基础。该研究进一步探索了层电子学器件实验制备的关键技术途径[见图2]。