美高梅游戏官网娱乐:证实拓扑绝缘体磁畴壁手性边界态,反直觉的话就读文章吧

作者: 美高梅游戏官网娱乐  发布:2019-12-21

编者按:本文作者马岳,斯坦福大学应用物理系博士生,2015年10月30日,在《科学》杂志上以第一作者的身份发表了文章,并联系到科学松鼠会,希望向国内的读者们详述这篇论文背后有趣的知识。2016年的科学圈圈坐,趁机就这么启动了……

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感谢马岳在第一次科学写作过程中付出的巨大努力;感谢猛犸对文章第二稿给出的详实建议;感谢郭曼文 牵线了这次合作,结识科学松鼠会时,她正处于即将完成学业,进军职场的阶段,刚完成了骑行横跨美国的壮举,如今,已经是爱非凡国际教育咨询创始人及CEO了。

拓扑绝缘体,顾名思义是绝缘的,有趣的是在它的边界或表面总是存在导电的边缘态,这是拓扑绝缘体的独特性质。K. Yasuda, Y. Tokura等人利用德国attocube公司的低温强磁场磁力显微镜attoMFM在0.5K温度与0.015T磁场环境下,证实了拓扑绝缘体磁畴壁的手性边界态的可调控性能,不同于之前实验上观测到的拓扑绝缘体中自然形成随机分布的磁畴中的手性边界态。

正文开始前,先看看马岳的自我介绍:

近期,理论预测存在的拓扑绝缘体在实验上被证实存在于二维与三维材料中,引起了科研界的大量关注。通常二维电子气体系中存在着量子霍尔效应,实验中观测到了手性边界态存在于材料的边界。在三维体材料的拓扑绝缘体中实验上可观测到反常量子霍尔效应。

我叫马岳(在米国大家叫我Eric),斯坦福大学应用物理系沈志勋教授组N年级博士生。学物理大约开始于高中参加物理竞赛,不小心拿了个奖,在不是特别明白的情况下就卖身北京大学物理学院了。然而物理一学就容易上瘾,因为经常会引发一种“对宇宙万物大概的运行规律都有所了解”的良好自我感觉。实际情况倒也真差的不多(每周的《自然》和《科学》杂志上的文章基本都能明白个大概),但是身在硅谷,每天经受着互联网创业大潮的冲刷,还是不免时不时怀疑自己研究的实验凝聚态物理到底能不能最有效率的为社会产生价值,以及为我产生饭票。除了物理,从小就对生物有浓厚的兴趣:别人家的孩子在踢球打街机,我却趴在地上看蚂蚁,一看能看一下午。这个兴趣到了现在不减反增,以至于经常选些无关科研的生物物理课。最近又发现人工智能和虚拟现实很有意思,用到科研上应该会有巨大潜力。放眼未来,觉得没准可以用大数据流研究某种很酷的,和电输运或者光学有关的生物物理问题 -- 如果到时候还没有为了饭票转行做码农的话。

Y. Tokura等人基于Cr-掺杂 2Te3制备了拓扑绝缘体薄膜,基底是InP。图1D为在0.5K极低温下使用MFM测量的材料中的磁畴分布,可以清晰看到自然形成的随机分布的大小与形貌不一的磁畴。通过使用MFM磁性探针的针尖在0.015T的磁场环境下扫描样品区域成功实现了对材料磁畴的调控。图1F为调控后样品的磁畴情况,被探针扫描过的区域,磁畴方向保持一致。

当年在北大山鹰社度过了几年非常美好的时光,所以有空还是喜欢去户外转转,爬爬山钓钓鱼,自虐一下,每次回来都更加珍惜来之不易的文明生活。另一大爱好就是打游戏,从红警95到巫师:狂猎,目前在期待第一部虚拟现实大作,经常感叹现在的孩子们真是太幸福了。最近突然意识到人文社科其实也非常有趣,于是没事就补补政治经济历史。

图1: AB 拓扑绝缘体磁畴调控示意图;C 拓扑绝缘体材料结构;

总之我的人生估计和科学是脱不了干系了。既然要做个科学家,我希望能成为一个不仅研究科学,也能传播科学,服务社会的好科学家

说到传播好科学,目前汉语圈里还没发现比科学松鼠会更靠谱的,所以一直觉得能给科学松鼠会写东西是一种荣誉。

美高梅游戏官网娱乐 2什么是磁性绝缘体

从导电性质的角度,固体大致可以分为金属、半导体和绝缘体三类。其中纯半导体和绝缘体没有本质区别:两者随着温度降低导电性能都会飞快变差,理论上,在接近绝对零度时都会完全绝缘。与之形成鲜明对比的是金属:金属的导电能力对温度变化不算敏感,在低温下导电性也依然很好。

美高梅游戏官网娱乐 323个),而且每一个带负电的电子都受到其他所有电子的排斥和所有带正电原子核的吸引,其中的变量如此之多,以至于根本没有希望能把这个方程解出来。

于是物理学家们做了一个十分大胆的假设:完全忽略电子之间的排斥,以极大地简化计算量。这个看起来大胆过头的“近似”实际上效果却出乎意料的好,可以准确预测大量材料的性质。

D attoMFM实验观测自然形成多个磁畴; EF MFM探针调控磁畴

然而有些用这种方法算出来应该是金属的材料,实际上在低温下却变成了半导体/绝缘体

这些大多属于电子互斥不能被忽略的例子(在室温下这些材料大多会恢复成金属,所以日常生活中不常用到)。1951年,美国物理学家John Slater用平均场近似处理了电子之间的排斥,发现不仅能得到绝缘体,居然还得到了磁性:当电子互斥足够大,温度也足够低时,电子们都更愿意宅在自己的原子核附近而不是到处转悠,于是本来在高温下导电的材料就变绝缘了;同时因为电子是费米子——满足泡利不相容原理,这意味着什么?意味着它们的自旋也会按照某种特定的方式排列——结果就是产生了磁性。科学家给这些有磁性的,在低温下才存在的绝缘体,起了个名字叫“Slater绝缘体”。

美高梅游戏官网娱乐 4理论模型,实验上在低温下观测到的“磁性绝缘体”到底更适合用哪种模型描述,各家说法不一。

该拓扑绝缘体磁畴反转的性能随磁场大小变化的结果也被仔细研究。通过缓慢改变磁场,不同磁场下拓扑绝缘体样品的磁畴方向可清楚地被证实发生了反转。通过观察,随机分布气泡状磁畴一般的大小在200纳米左右。

什么是磁畴壁以及它为何会导电

在有磁性的材料里就会有“磁畴”,以及“磁畴壁”。举个例子,一块普通磁铁可以看作很多微观小磁针的集合。这些小磁针的南极都朝着一个方向,所以宏观磁铁的南极也朝着相同的方向。如果你把磁铁加热到足够热,这些小磁针会开始杂乱无章地随机转动,于是磁铁会失去宏观上的磁性。

如果你在一个有外加磁场的地方把磁铁冷却,小磁针们一般会自发的沿着外磁场方向排列,从而还原磁铁的宏观磁性。然而如果在没有外磁场的地方把磁铁冷却,这些微观小磁针仍会希望回到整齐排列的状态,但它们会面临一个艰难选择:把南极都向着左边、右边,还是其他任意一个方向?毕竟,在没有外磁场的情况下,所有方向都是等价的。最终不同位置的小磁针们会随机选择一个方向,于是原来的一整块磁铁,就变成了很多块较小的、磁场方向随机的磁铁的集合。

每个内部小磁针排列方向确定的区域,就叫做一个磁畴。这些磁畴的尺寸可以从几纳米到几毫米甚至更大——你的磁条式信用卡和传统磁盘里储存信息的就是这些家伙。值得一提的是,由于磁畴形成过程的随机性,如果再一次加热+零场冷却,得到的磁畴一般是不同的(不信可以用你的硬盘试试)。

相邻磁畴的边界就叫做磁畴壁:在磁畴壁附近的小磁针们从一种排列方式过渡到另一种排列方式,因此可以说磁性在磁畴壁处被“扰乱”了

美高梅游戏官网娱乐 5磁畴壁理应变回金属。这个计算很简单,数值结果在大多数情况下也支持这个物理图像。

图2: A 霍尔器件电测量结果;B attoMFM观测不同磁场下拓扑绝缘体的磁畴情况

Mott绝缘体要复杂得多:有人认为,在这种绝缘体中电子之间的排斥起绝对主要作用,磁性如果存在,也不过是个副产品,所以不管磁性有没有被扰乱,材料都应该保持其绝缘性

于是磁畴壁一般不应该变成金属。然而这个计算很难,好像没有人真正算出来。

以上这些理论上的讨论,终究要和实验观测结合才有意义。可是这些磁畴壁也真是非常难研究,在成百上千的磁性绝缘体材料里,直到2015年都没有确凿的证据,来说明哪怕某一种特定材料里有金属性的磁畴壁。于是大家就打打嘴仗,互相扣一扣”Slater派”和“Mott派”的帽子。

不仅通过attoMFM直观观测分析磁畴手性边界态调控,电学输运结果也证实手性边界态的调控。图3为在温度0.5K的时候,拓扑绝缘体电学器件以及相应的电学测量数据。数据表明,霍尔电阻可被调控为是正负h/e2的数值,证实了不同磁畴的手性边界态的调控被实现。作者预见,该实验结果对于低消耗功率自旋电子器件的研究提供了一种可能的途径。

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