W niedawnej publikacji w czasopiśmie 2D Materials, użytkownicy Centrum SOLARIS podkreślają krytyczne znaczenie nieporządku w MnBi2Te4/(Bi2Te3)n samoorganizującym się magnetycznym izolatorze topologicznym, materiale stanowiącym nową platformę dla anomalnego kwantowego efektu Halla. Materiał ten wzbudza ostatnio zainteresowanie naukowców również ze względu na możliwość realizacji stanu izolatora aksjonowego. Znaczna część badań została przeprowadzona przy użyciu stacji badawczej kątowo-rozdzielczej spektroskopii fotoelektronów (linia URANOS, dawniej UARPES) na Synchrotronie SOLARIS.

Magnetyczne izolatory topologiczne

Joanna Sitnicka, doktorantka na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego i pierwsza autorka publikacji, podsumowuje dla nas główne wnioski zawarte w publikacji:

Badaliśmy rodzinę samoorganizujących się magnetycznych izolatorów topologicznych MnBi2Te4/(Bi2Te3)n. Strukturę tych materiałów stanowią naprzemienne sekwencje magnetycznych warstw siedmiokrotnych (SLs) MnBi2Te4 oraz warstw pięciokrotnych (QLs) Bi2Te3 (Rys. 1(a)).

Przeprowadziliśmy analizę strukturalną oraz analizę składu chemicznego ferromagnetycznych próbek MnBi2Te4/(Bi2Te3)n, o różnych odległościach n pomiędzy sąsiednimi SLs i skorelowaliśmy je z właściwościami magnetycznymi badanymi metodą spektroskopii rezonansu ferromagnetycznego (FMR) oraz z właściwościami pasmowej struktury elektronowej powierzchni badanej metodą kątowo-rozdzielczej spektroskopii fotoelektronów (ARPES). Nasza analiza strukturalna ujawniła defekty w postaci Mn zastępującego Bi w QLs oraz wakancje Mn w SLs (Rys. 1(b)). Taka migracja Mn pomiędzy SLs a niemagnetycznymi QLs, która jest schematycznie pokazana na Rys. 1(c), powoduje systemowe konsekwencje dla materiału. Wywołuje ona ferromagnetyczne sprzężenie zubożonych w Mn SLs z domieszkowanymi Mn QLs, co jest widoczne w FMR jako akustyczne i optyczne mody rezonansowe dwóch sprzężonych podsystemów spinowych (Rys. 1(d)). Ma to również silny wpływ na strukturę pasmową powierzchni. Pomiary ARPES wsparte badaniami teorii funkcjonałów gęstości pokazują, że nieuporządkowanie Mn w obrębie SL prowadzi do delokalizacji funkcji falowych elektronów i silnie zmienia strukturę pasm powierzchniowych w porównaniu z idealnym MnBi2Te4/(Bi2Te3)n (Rys. 1(e)).

Rys. 1 (a) Obraz ze skaningowo-transmisyjnego mikroskopu elektronowego z wysokokątowym pierścieniowym detektorem ciemnego pola (HAADF) uwidaczniający warstwy septetowe w matrycy kwintetowej. Bi jako najcięższy pierwiastek jest obrazowany z największą intensywnością. Mangan jest wbudowany w środkową część warstwy septetowej. Warstwy septetowe i sąsiednie warstwy kwintetowe są oddzielone przerwą van der Waalsa. (b) Fragment supersieci MnBi2Te4/(Bi2Te3)n w jednej z badanych próbek. Mapowanie metodą spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii. Rozmieszczenie atomów Mn zaznaczono na żółto a atomów Bi na niebiesko. Widoczny jest Mn podstawiony w miejscu Bi w Bi2Te3. (c) Schematyczne przedstawienie nieporządku w rozmieszczeniu Mn - ubytek Mn w warstwie septetowej i jego obecność w warstwie kwintetowej. (d) (górny panel) Rezonans ferromagnetyczny w jednej z badanych próbek pokazuje rozszczepienie linii rezonansowej na dwa mody, akustyczny i optyczny, dwóch sprzężonych podsieci spinowych. Dolny panel pokazuje anizotropię sygnału rezonansowego zmierzoną w temperaturze 5 K. Dwa widoczne mody nigdy nie przecinają się w zależności kątowej, co jest charakterystyczne dla rezonansu ferromagnetycznego w warstwach sprzężonych i pozwala odróżnić sygnał od warstw niesprzężonych. (e) Dane ARPES nieuporządkowanego MnBi2Te4/(Bi2Te3)n otrzymane wzdłuż kierunku Γ→Μ przy energiach fotonów 54 eV i 20 eV porównane z obliczeniami DFT dla struktury 2QLSL- 2QL-SL z 50% atomów Mn w warstwach septetowych zastąpionymi przez Bi.

Publikacja

Artykuł zatytułowany: "Systemic consequences of disorder in magnetically self-organized topological MnBi2Te4/(Bi2Te3)n superlattices" jest dostępny w 2D Materials Journal - https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2053-1583/ac3cc6/pdf