东京理工大学 (a)和(b)显示Bi2Te3和磁性拓扑绝缘体样品的电子能带结构；狄拉克锥结构在后者中更为突出
两个突出的光电发射峰及其逐渐融合归因于随着温度的升高DC间隙的闭合
信用:自然交流 东京理工大学的科学家揭示了拓扑绝缘体的磁性与其电子能带结构之间的关系
他们的实验结果为最近关于这些材料中能带结构随温度的演变的争论提供了新的见解，这些材料显示出不寻常的量子现象，被认为在下一代电子学、自旋电子学和量子计算机中至关重要
拓扑绝缘体具有表面导电，内部绝缘的特殊性质
这种看似简单、独特的特性使得这些材料能够承载大量奇异的量子现象，这对量子计算机、自旋电子学和先进的光电子系统都很有用
然而，为了解开一些不寻常的量子性质，有必要在拓扑绝缘体中感应磁性
换句话说，材料中的电子如何相互排列需要达到某种“顺序”
2017年，一种实现这一壮举的新方法被提出
这种被称为“磁性延伸”的技术包括将单层磁性材料插入拓扑绝缘体的最顶层，从而避免了其他可用方法(如掺杂磁性杂质)带来的问题
不幸的是，磁性延伸的使用导致了关于所得材料的电子能带结构的复杂问题和矛盾的答案，这决定了电子的可能能级，并最终决定了材料的导电性质
拓扑绝缘体在其电子能带结构中表现出所谓的狄拉克锥(DC)，类似于两个彼此面对的锥
理论上，DC对于普通的拓扑绝缘体来说是不适用的，但是由于感应磁性而变得有间隙
然而，科学界尚未就两个锥尖之间的间隙与材料的磁性特征之间的相关性达成一致
扫描透射电子显微镜图像与能量色散光谱一起用于确定样品的两种可能结构的原子组成
信用:自然交流 在最近解决这个问题的努力中，来自多个大学和研究机构的科学家进行了一项由日本东京理工大学的平原彻教授领导的合作研究
他们通过在Bi2Te3上沉积锰和碲来制造磁性拓扑结构，Bi2Te 3是一种研究得很好的拓扑绝缘体
科学家们推测，额外的锰层将与Bi2Te3发生更强的相互作用，新出现的磁性能可归因于DC间隙的变化，正如平原诚司解释的那样:“我们希望强层间磁性相互作用将导致这样一种情况，即与以前的研究相比，磁性能和DC间隙之间的对应关系是清晰的
" 通过检查样品的电子能带结构和光电发射特性，他们证明了DC间隙是如何随着温度的升高而逐渐缩小的
此外，他们还分析了样品的原子结构，发现了两种可能的构型，MnBi2Te4/Bi2Te3和Mn4Bi2Te7/Bi2Te3，后者是DC能隙的原因
然而，一个特别令人困惑的发现是，DC缺口闭合时的温度远远超过了临界温度，在此温度以上，材料失去了永久磁性有序性
这与以前的研究形成鲜明对比，以前的研究表明，在高于材料温度的温度下，DC间隙仍然可以打开，而不会关闭
在这一点上，平原诚司评论道:“我们的结果第一次表明，温度系数以上的长程磁性有序的损失和DC间隙的闭合是不相关的
" 尽管需要进一步的努力来阐明DC间隙的性质和磁性之间的关系，这项研究是朝着正确的方向迈出的一步
希望对这些量子现象的更深入理解将有助于我们获得下一代电子学和量子计算的拓扑绝缘体的力量
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