Isolante topológico - Topological insulator

Uma estrutura de banda idealizada para um isolante topológico. O nível de Fermi está dentro do gap em massa que é atravessado por estados de superfície de Dirac com textura de spin topologicamente protegidos.

Um isolante topológico é um material que se comporta como um isolante em seu interior, mas cuja superfície contém estados condutores , o que significa que os elétrons só podem se mover ao longo da superfície do material. Isoladores topológicos têm ordem topológica protegida por simetria não trivial ; no entanto, ter uma superfície condutora não é exclusivo dos isoladores topológicos, uma vez que isoladores de banda comuns também podem suportar estados de superfície condutiva . O que é especial sobre os isolantes topológicos é que seus estados de superfície são férmions de Dirac protegidos por simetria pela conservação do número de partículas e simetria de reversão no tempo . Em sistemas bidimensionais (2D), este ordenamento é análogo a um gás de elétron convencional sujeito a um forte campo magnético externo causando lacuna de excitação eletrônica no volume da amostra e condução metálica nos limites ou superfícies.

A distinção entre isoladores topológicos 2D e 3D é caracterizada pelo invariante topológico Z-2, que define o estado fundamental. Em 2D, há um único invariante Z-2 que distingue o isolante da fase de spin-Hall quântica, enquanto em 3D, há quatro invariantes Z-2 que diferenciam o isolador de isoladores topológicos “fracos” e “fortes”.

Na maior parte de um isolador topológico não interagente, a estrutura de banda eletrônica se assemelha a um isolador de banda comum, com o nível de Fermi caindo entre as bandas de condução e valência. Na superfície de um isolador topológico, existem estados especiais que caem dentro da lacuna de energia em massa e permitem a condução metálica na superfície. Os portadores nesses estados de superfície têm seu spin travado em um ângulo reto com seu momento (travamento de spin-momentum). A uma dada energia, os únicos outros estados eletrônicos disponíveis têm spin diferente, então o espalhamento de "U" é fortemente suprimido e a condução na superfície é altamente metálica. Isoladores topológicos não interagentes são caracterizados por um índice (conhecido como invariantes topológicos) semelhante ao gênero em topologia.

Enquanto a simetria de reversão do tempo for preservada (isto é, não há magnetismo), o índice não pode mudar por pequenas perturbações e os estados condutores na superfície são protegidos por simetria. Por outro lado, na presença de impurezas magnéticas, os estados superficiais se tornarão geralmente isolantes. No entanto, se certas simetrias cristalinas como inversão estão presentes, o índice ainda está bem definido. Esses materiais são conhecidos como isolantes topológicos magnéticos e suas superfícies isolantes exibem uma condutividade Hall anômala de superfície semiquantizada .

Isoladores topológicos fotônicos são as contrapartes eletromagnéticas de ondas clássicas de isoladores topológicos (eletrônicos), que fornecem propagação unidirecional de ondas eletromagnéticas.

Predição

Os primeiros modelos de isoladores topológicos 3D foram propostos por Volkov e Pankratov em 1985 e, posteriormente, por Pankratov, Pakhomov e Volkov em 1987. Foi demonstrado que os estados de Dirac 2D Gapless existem no contato de inversão de banda em heteroestruturas de PbTe / SnTe e HgTe / CdTe . A existência de estados de interface Dirac em HgTe / CdTe foi verificada experimentalmente pelo grupo de Molenkamp em 2007.

Conjuntos posteriores de modelos teóricos para o isolador topológico 2D (também conhecido como isoladores Hall de spin quântico) foram propostos por Kane e Mele em 2005, e também por Bernevig, Hughes e Zhang em 2006. O invariante topológico foi construído e a importância de a simetria da reversão do tempo foi esclarecida no trabalho de Kane e Mele. Posteriormente, Bernevig, Hughes e Zhang fizeram uma previsão teórica de que o isolador topológico 2D com estados de borda helicoidal unidimensional (1D) seria realizado em poços quânticos (camadas muito finas) de telureto de mercúrio imprensado entre telureto de cádmio. O transporte devido aos estados de borda helicoidal 1D foi de fato observado nos experimentos do grupo de Molenkamp em 2007.

Embora a classificação topológica e a importância da simetria de reversão do tempo tenham sido apontadas nos anos 2000, todos os ingredientes e física necessários dos isoladores topológicos já eram compreendidos nos trabalhos dos anos 1980.

Em 2007, foi previsto que isoladores topológicos 3D podem ser encontrados em compostos binários envolvendo bismuto , e em particular existem "isolantes topológicos fortes" que não podem ser reduzidos a múltiplas cópias do estado Hall de spin quântico .

Realização experimental

Isoladores topológicos foram realizados pela primeira vez em 2D em um sistema contendo poços quânticos de HgTe imprensados ​​entre telureto de cádmio em 2007.

O primeiro isolante topológico 3D a ser realizado experimentalmente foi o Bi 1 - x Sb x . O bismuto em seu estado puro, é um semimetal com um pequeno gap eletrônico. Usando espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido e outras medições, foi observado que a liga Bi 1 - x Sb x exibe um cruzamento de estado de superfície ímpar (SS) entre qualquer par de pontos de Kramers e o volume apresenta férmions de Dirac massivos. Além disso, foi previsto que a massa Bi 1 - x Sb x tenha partículas 3D de Dirac . Esta previsão é de particular interesse devido à observação da fracionamento de Hall quântico de carga em grafeno 2D e bismuto puro.

Pouco tempo depois, estados de superfície protegidos por simetria também foram observados em antimônio puro , seleneto de bismuto , telureto de bismuto e telureto de antimônio usando espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido (ARPES). e seleneto de bismuto. Acredita-se agora que muitos semicondutores dentro da grande família de materiais Heusler exibem estados de superfície topológicos. Em alguns desses materiais, o nível de Fermi realmente cai nas bandas de condução ou valência devido a defeitos de ocorrência natural e deve ser empurrado para o gap por dopagem ou gating. Os estados de superfície de um isolador topológico 3D é um novo tipo de gás de elétron bidimensional (2DEG), onde o spin do elétron é travado em seu momento linear.

Existem estados de isolador topológico 3D totalmente isolante ou intrínseco em materiais de base dupla, conforme demonstrado em medições de transporte de superfície. Em um novo calcogeneto à base de Bi (Bi 1.1 Sb 0.9 Te 2 S) com ligeira dopagem com Sn, exibe um comportamento semicondutor intrínseco com energia de Fermi e ponto de Dirac no bulk gap e os estados de superfície foram sondados pelos experimentos de transporte de carga.

Foi proposto em 2008 e 2009 que isoladores topológicos são mais bem compreendidos não como condutores de superfície em si, mas como magnetoelétricos 3D em massa com um efeito magnetoelétrico quantizado . Isso pode ser revelado pela colocação de isoladores topológicos no campo magnético. O efeito pode ser descrito em uma linguagem semelhante à da partícula axion hipotética da física de partículas. O efeito foi relatado por pesquisadores da Universidade Johns Hopkins e da Universidade Rutgers usando espectroscopia THz, que mostrou que a rotação de Faraday era quantizada pela constante de estrutura fina.

Em 2012, isoladores Kondo topológicos foram identificados em hexaboreto de samário , que é um isolante em massa em baixas temperaturas.

Em 2014, foi demonstrado que componentes magnéticos, como os da memória do computador spin-torque , podem ser manipulados por isoladores topológicos. O efeito está relacionado às transições metal-isolador ( modelo Bose-Hubbard ).

Propriedades e aplicativos

O travamento do momento de rotação no isolador topológico permite que estados de superfície protegidos por simetria hospedem partículas de Majorana se a supercondutividade for induzida na superfície de isoladores topológicos 3D por meio de efeitos de proximidade. (Observe que o modo zero de Majorana também pode aparecer sem isoladores topológicos.) A não trivialidade dos isoladores topológicos é codificada na existência de um gás de férmions de Dirac helicoidal . Partículas de Dirac que se comportam como férmions relativísticos sem massa foram observadas em isoladores topológicos 3D. Observe que os estados de superfície sem intervalos de isoladores topológicos diferem daqueles no efeito Hall quântico : os estados de superfície sem intervalos de isoladores topológicos são protegidos por simetria (ou seja, não topológicos), enquanto os estados de superfície sem intervalos no efeito Hall quântico são topológicos (ou seja, robusta contra quaisquer perturbações locais que podem quebrar todas as simetrias). Os invariantes topológicos não podem ser medidos usando métodos de transporte tradicionais, como a condutância de spin Hall, e o transporte não é quantizado pelos invariantes. Um método experimental para medir invariantes topológicos foi demonstrado, o que fornece uma medida da ordem topológica. (Observe que o termo ordem topológica também foi usado para descrever a ordem topológica com a teoria de calibre emergente descoberta em 1991.) Mais geralmente (no que é conhecido como a forma de dez vezes ) para cada dimensionalidade espacial, cada um dos dez Altland— classes de Zirnbauer simetria Hamiltonianas aleatórias marcadas pelo tipo de simetria discreta (simetria tempo-inversão, simetria de partículas buracos, e simetria quiral) tem um grupo correspondente de invariantes topológicos (quer , ou trivial) como descrito pela tabela periódica de invariantes topológicos .

As aplicações mais promissoras de isoladores topológicos são dispositivos spintrônicos e transistores sem dissipação para computadores quânticos baseados no efeito Hall quântico e no efeito Hall anômalo quântico . Além disso, os materiais isolantes topológicos também encontraram aplicações práticas em dispositivos magnetoeletrônicos e optoeletrônicos avançados .

Síntese

Isoladores topológicos podem ser cultivados usando diferentes métodos, como deposição de vapor químico orgânico de metal (MOCVD),

deposição física de vapor (PVD), síntese solvotérmica, técnica sonoquímica e epitaxia de feixe molecular

Esquema dos componentes de um sistema MBE

(MBE). MBE tem sido até agora a técnica experimental mais comum. O crescimento de isoladores topológicos de filme fino é governado por fracas interações de Van der Waals. A fraca interação permite esfoliar a fina película do cristal em massa com uma superfície limpa e perfeita. As interações de Van der Waals em epitaxia, também conhecidas como epitaxia de Van der Waals (VDWE), é um fenômeno governado por interações fracas de Van der Waal entre materiais em camadas de elementos diferentes ou iguais nos quais os materiais são empilhados uns sobre os outros. Esta abordagem permite o crescimento de isoladores topológicos em camadas em outros substratos para heteroestrutura e circuitos integrados .

Crescimento MBE de isoladores topológicos

A epitaxia por feixe molecular (MBE) é um método de epitaxia para o crescimento de um material cristalino em um substrato cristalino para formar uma camada ordenada. O MBE é realizado em alto ou ultra-alto vácuo , os elementos são aquecidos em diferentes evaporadores de feixe de elétrons até sublimarem . Os elementos gasosos então se condensam na bolacha, onde reagem entre si para formar cristais únicos .

MBE é uma técnica apropriada para o crescimento de filmes monocristalinos de alta qualidade. Para evitar uma enorme incompatibilidade de rede e defeitos na interface, espera-se que o substrato e a película fina tenham constantes de rede semelhantes. MBE tem uma vantagem sobre outros métodos devido ao fato de que a síntese é realizada em alto vácuo, resultando em menos contaminação. Além disso, o defeito da rede é reduzido devido à capacidade de influenciar a taxa de crescimento e a proporção de espécies de materiais de origem presentes na interface do substrato. Além disso, em MBE, as amostras podem ser cultivadas camada por camada, o que resulta em superfícies planas com interface lisa para heteroestruturas projetadas. Além disso, a técnica de síntese MBE se beneficia da facilidade de mover uma amostra de isolante topológico da câmara de crescimento para uma câmara de caracterização, como espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido (ARPES) ou estudos de microscopia de tunelamento de varredura (STM).

Devido à fraca ligação de Van der Waals, que relaxa a condição de correspondência da rede, TI pode ser cultivada em uma ampla variedade de substratos, como Si (111), Al
2O
3 , GaAs (111),

InP (111), CdS (0001) e Y
3Fe
5O
12 .

Crescimento de PVD de isoladores topológicos

A técnica de deposição física de vapor (PVD) não sofre as desvantagens do método de esfoliação e, ao mesmo tempo, é muito mais simples e barata do que o crescimento totalmente controlado por epitaxia de feixe molecular6. O método PVD permite uma síntese reproduzível de cristais únicos de vários materiais quase bidimensionais em camadas, incluindo isoladores topológicos (ou seja, Bi
2Se
3, Bi
2Te
3) Os monocristais resultantes têm uma orientação cristalográfica bem definida; sua composição, espessura, tamanho e densidade superficial no substrato desejado podem ser controlados. O controle de espessura é particularmente importante para TIs 3D em que os canais eletrônicos triviais (volumosos) geralmente dominam as propriedades de transporte e mascaram a resposta dos modos topológicos (de superfície). Ao reduzir a espessura, diminui-se a contribuição de canais bulk triviais na condução total, forçando assim os modos topológicos a transportar a corrente elétrica.

Isolantes topológicos à base de bismuto

Até agora, o campo de isolantes topológicos tem se concentrado em materiais à base de calcogeneto de bismuto e antimônio , como Bi
2Se
3, Bi
2Te
3, Sb
2Te
3ou Bi 1 - x Sb x , Bi 1,1 Sb 0,9 Te 2 S. A escolha de calcogenetos está relacionada ao relaxamento de Van der Waals da resistência de correspondência da rede que restringe o número de materiais e substratos. Os calcogenetos de bismuto têm sido amplamente estudados para TIs e suas aplicações em materiais termoelétricos . A interação de Van der Waals em TIs exibe características importantes devido à baixa energia de superfície. Por exemplo, a superfície de Bi
2Te
3 geralmente termina com Te devido à sua baixa energia superficial.

Os calcogenetos de bismuto foram cultivados com sucesso em diferentes substratos. Em particular, o Si tem sido um bom substrato para o crescimento bem-sucedido de Bi
2Te
3. No entanto, o uso de safira como substrato não tem sido tão encorajador devido a uma grande incompatibilidade de cerca de 15%. A seleção do substrato apropriado pode melhorar as propriedades gerais de TI. O uso da camada de buffer pode reduzir a correspondência da rede, melhorando assim as propriedades elétricas do TI. Bi
2Se
3pode ser cultivado em cima de vários buffers Bi 2 - x In x Se 3 . A Tabela 1 mostra Bi
2Se
3, Bi
2Te
3, Sb
2Te
3 em substratos diferentes e a incompatibilidade de rede resultante. Geralmente, independentemente do substrato usado, os filmes resultantes têm uma superfície texturizada que é caracterizada por domínios de cristal único piramidais com etapas de quíntupla camada. O tamanho e a proporção relativa desses domínios piramidais variam com fatores que incluem a espessura do filme, a incompatibilidade da rede com o substrato e a nucleação do filme dependente da química interfacial. A síntese de filmes finos apresenta o problema da estequiometria devido às altas pressões de vapor dos elementos. Assim, as tetradmites binárias são dopadas extrinsecamente como tipo n ( Bi
2Se
3, Bi
2Te
3) ou tipo p ( Sb
2Te
3) Devido à fraca ligação de van der Waals, o grafeno é um dos substratos preferidos para o crescimento de TI, apesar da grande incompatibilidade de rede.

Incompatibilidade de rede de diferentes substratos
Substrato Bi
2Se
3 % 		Bi
2Te
3 % 		Sb
2Te
3 %
grafeno -40,6 -43,8 -42,3
Si -7,3 -12,3 -9,7
CaF
2 		-6,8 -11,9 -9,2
GaAs -3,4 -8,7 -5,9
CdS -0,2 -5,7 -2,8
InP 0,2 -5,3 -2,3
BaF
2 		5,9 0,1 2,8
CdTe 10,7 4,6 7,8
Al
2O
3 		14,9 8,7 12,0
SiO
2 		18,6 12,1 15,5

Identificação

A primeira etapa da identificação dos isoladores topológicos ocorre logo após a síntese, ou seja, sem quebrar o vácuo e deslocar a amostra para a atmosfera. Isso poderia ser feito usando espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido (ARPES) ou técnicas de microscopia de tunelamento de varredura (STM). Outras medições incluem sondas estruturais e químicas, como difração de raios-X e espectroscopia de dispersão de energia, mas dependendo da qualidade da amostra, a falta de sensibilidade pode permanecer. As medições de transporte não podem identificar com exclusividade a topologia Z2 por definição do estado.

Desenvolvimentos futuros

A área de isolantes topológicos ainda precisa ser desenvolvida. Os melhores isolantes topológicos de calcogeneto de bismuto têm variação de bandgap de cerca de 10 meV devido à carga. O desenvolvimento posterior deve se concentrar no exame de ambos: a presença de bandas eletrônicas de alta simetria e materiais simplesmente sintetizados. Um dos candidatos são os compostos de meio-Heusler . Essas estruturas cristalinas podem consistir em um grande número de elementos. Estruturas de banda e lacunas de energia são muito sensíveis à configuração de valência; por causa da maior probabilidade de troca e desordem entre locais, eles também são muito sensíveis a configurações cristalinas específicas. Uma estrutura de banda não trivial que exibe uma ordem de banda análoga àquela dos materiais TI 2D e 3D conhecidos foi prevista em uma variedade de compostos de meio-Heusler de 18 elétrons usando cálculos de primeiros princípios. Esses materiais ainda não mostraram qualquer sinal de comportamento intrínseco do isolante topológico em experimentos reais.

Veja também

Referências

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