Science: 低溫強磁場磁力顯微鏡—調(diào)控拓撲絕緣體磁疇壁手性邊界態(tài)

    拓撲絕緣體，顧名思義是絕緣的，有趣的是在它的邊界或表面總是存在導(dǎo)電的邊緣態(tài)，這是拓撲絕緣體的*性質(zhì)。近期，理論預(yù)測存在的拓撲絕緣體在實驗上被證實存在于二維與三維材料中，引起了科研界的大量關(guān)注。通常二維電子氣體系中存在著量子霍爾效應(yīng)，實驗中觀測到了手性邊界態(tài)存在于材料的邊界。在三維體材料的拓撲絕緣體中實驗上可觀測到反常量子霍爾效應(yīng)。

   K. Yasuda, Y. Tokura等人利用德國attocube公司的低溫強磁場磁力顯微鏡attoMFM在0.5K溫度與0.015T磁場環(huán)境下，證實了拓撲絕緣體磁疇壁的手性邊界態(tài)的可調(diào)控性能，不同于之前實驗上觀測到的拓撲絕緣體中自然形成隨機分布的磁疇中的手性邊界態(tài)。Y. Tokura等人基于Cr-摻雜 (Bi1-ySby)2Te3制備了拓撲絕緣體薄膜，基底是InP（如圖1C）。圖1D為在0.5K極低溫下使用MFM測量的材料中的磁疇分布，可以清晰看到自然形成的隨機分布的大小與形貌不一的磁疇。通過使用MFM磁性探針的針尖在0.015T的磁場環(huán)境下掃描樣品區(qū)域成功實現(xiàn)了對材料磁疇的調(diào)控。圖1F為調(diào)控后樣品的磁疇情況，被探針掃描過的區(qū)域，磁疇方向保持一致。

圖1： A&B 拓撲絕緣體磁疇調(diào)控示意圖；C 拓撲絕緣體材料結(jié)構(gòu)；D attoMFM實驗觀測自然形成多個磁疇； E&F MFM探針調(diào)控磁疇

    該拓撲絕緣體磁疇反轉(zhuǎn)的性能隨磁場大小變化的結(jié)果也被仔細研究。通過緩慢改變磁場，不同磁場下拓撲絕緣體樣品的磁疇方向可清楚地被證實發(fā)生了反轉(zhuǎn)（見圖2）。通過觀察，隨機分布氣泡狀磁疇（0.06T磁場附近）一般的大小在200納米左右。

圖2： A 霍爾器件電測量結(jié)果；B attoMFM觀測不同磁場下拓撲絕緣體的磁疇情況

    不僅通過attoMFM直觀觀測分析磁疇手性邊界態(tài)調(diào)控，電學輸運結(jié)果也證實手性邊界態(tài)的調(diào)控。圖3為在溫度0.5K的時候，拓撲絕緣體電學器件以及相應(yīng)的電學測量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)表明，霍爾電阻可被調(diào)控為是正負h/e2的數(shù)值，證實了不同磁疇的手性邊界態(tài)的調(diào)控被實現(xiàn)。作者預(yù)見，該實驗結(jié)果對于低消耗功率自旋電子器件的研究提供了一種可能的途徑。

圖3：拓撲絕緣體制備器件反常量子霍爾效應(yīng)結(jié)果證實磁疇手性邊界態(tài)調(diào)控

圖4：拓撲絕緣體磁疇手性邊界態(tài)調(diào)控相關(guān)設(shè)備—低溫強磁場原子力磁力顯微鏡

低溫強磁場原子力磁力顯微鏡attoAFM/MFM主要技術(shù)特點：
-溫度范圍：mK...300 K
-磁場范圍：0...12T (取決于磁體)
-樣品定位范圍：5×5×5 mm³
-掃描范圍: 50×50 μ㎡@300 K, 30×30μ㎡@4 K
-商業(yè)化探針
-可升級PFM, ct-AFM, SHPM, CFM等功能

參考文獻：
“Quantized chiral edge conduction on domain walls of a magnetic topological insulator” K. Yasuda, Y. Tokura et al, Science 358, 1311–1314 (2017)