弥合拓扑绝缘子的磁性能和电子性能之间的差距

东京工业大学的科学家阐明了拓扑绝缘子的磁性能与其电子能带结构之间的关系。他们的实验结果为有关这些材料中能带结构随温度变化的最新辩论提供了新的见识，这些材料表现出不寻常的量子现象，并被认为在下一代电子，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但内部绝缘的特性。这种看似简单，独特的特性使这些材料可以容纳大量奇特的量子现象，这些现象对于量子计算机，自旋电子学和先进的光电系统很有用。

但是，要解锁某些不寻常的量子特性，必须在拓扑绝缘体中感应磁性。换句话说，需要实现材料中电子相互对准的某种“顺序”。2017年，提出了实现这一壮举的新方法。所谓的“磁性延伸”技术是指将磁性材料的单层插入拓扑绝缘体的最顶层，从而避免了由其他可用方法(如掺杂磁性杂质)引起的问题。

不幸的是，磁性扩展的使用导致了关于所得材料的电子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能。已知拓扑绝缘子在其电子能带结构中表现出所谓的狄拉克锥(DC)，该锥带类似于两个彼此面对的锥。理论上，普通拓扑绝缘子没有直流电，但是由于感应磁场而变得空缺。但是，科学界尚未就两个锥形尖端之间的间隙与材料的磁性特征之间的相关性达成实验共识。

为了解决这一问题，最近，来自多所大学和研究机构的科学家进行了一项由日本东京科技大学的Tos Hirahara副教授领导的合作研究。他们通过在经过充分研究的拓扑绝缘体 Bi 2 Te 3上沉积Mn和Te来制造磁性拓扑结构。科学家认为，额外的Mn层将与Bi 2 Te 3相互作用更强，并且新兴的磁性可能归因于DC间隙的变化，正如Hirahara解释说：“我们希望牢固的层间磁相互作用将导致这种情况。与以前的研究相比，磁性能和直流间隙之间的对应关系是明确的。”

通过检查样品的电子能带结构和光发射特性，他们证明了直流间隙如何随温度升高而逐渐闭合。此外，他们分析了样品的原子结构，发现了两种可能的构型，即MnBi 2 Te 4 / Bi 2 Te 3和Mn 4 Bi 2 Te 7 / Bi 2 Te 3，后者是造成直流间隙的原因。

但是，一个令人困惑的发现是，直流间隙闭合的温度远高于临界温度(TC)，在该温度以上，材料失去了永久的磁序。这与先前的研究形成了鲜明的对比，先前的研究表明，在高于材料的TC的温度下，DC间隙仍可以打开而不闭合。Hirahara在此说明：“我们的结果首次显示，TC上方的远距离磁阶损失与DC间隙闭合无关。”

尽管需要进一步努力阐明直流间隙的性质与磁性能之间的关系，但这项研究是朝正确方向迈出的一步。希望对这些量子现象有更深入的了解，将有助于我们为下一代电子学和量子计算获得拓扑绝缘体的力量。

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