Es wurde ein neues Gerät hergestellt, das den quantenanomalen Hall-Effekt demonstrieren kann, bei dem winzige, diskrete Spannungsschritte durch ein externes Magnetfeld erzeugt werden. Diese Arbeit könnte Elektronik mit extrem geringem Stromverbrauch sowie zukünftige Quantencomputer ermöglichen.
Wenn Sie einen gewöhnlichen Draht nehmen, durch den elektrischer Strom fließt, können Sie durch Anlegen eines äußeren Magnetfelds eine neue elektrische Spannung senkrecht zum Stromfluss erzeugen. Dieser sogenannte Hall-Effekt wurde als Teil eines einfachen Magnetsensors verwendet, aber die Empfindlichkeit kann gering sein.
Es gibt eine entsprechende Quantenversion, den sogenannten quantenanomalen Hall-Effekt, der in definierten Inkrementen oder Quanten auftritt. Dies hat die Möglichkeit eröffnet, den quantenanomalen Hall-Effekt zum Bau neuer hochleitfähiger Drähte oder sogar Quantencomputer zu nutzen. Die Physik, die zu diesem Phänomen führt, ist jedoch noch nicht vollständig verstanden.
Nun hat ein Forscherteam unter der Leitung des Institute of Materials Science an der University of Tsukuba ein topologisches Isolatormaterial verwendet, bei dem Strom an den Grenzflächen, aber nicht durch die Masse fließt, um einen quantenanomalen Hall-Effekt zu induzieren.
Durch die Verwendung eines ferromagnetischen Materials, Eisen, als oberste Schicht der Vorrichtung kann der magnetische Näherungseffekt eine magnetische Ordnung erzeugen, ohne eine Unordnung einzuführen, die durch ein alternatives Verfahren zum Dotieren mit magnetischen Verunreinigungen verursacht würde. „Strom, der durch den quantenanomalen Hall-Effekt erzeugt wird, kann ohne Dissipation entlang der Grenzfläche einer Schicht fließen, was in neuartigen energiesparenden Geräten genutzt werden könnte“, sagt Professor Kuroda Shinji.
Zur Herstellung des Bauelements wurde mittels Molekularstrahlepitaxie ein dünner Film einer Einkristall-Heterostruktur bestehend aus einer Eisenschicht auf Zinntellurid auf einer Schablone gezüchtet. Die Magnetisierung der Oberfläche haben die Forscher mit Neutronen gemessen, die ein magnetisches Moment, aber keine elektrische Ladung haben.
Sie fanden heraus, dass die ferromagnetische Ordnung von der Grenzfläche zu Eisen etwa zwei Nanometer in die Zinn-Tellurid-Schicht eindringt und sogar bei Raumtemperatur existieren kann. „Unsere Forschung weist den Weg zu einem Mittel zur Realisierung von Spintronik- und Quantencomputergeräten der nächsten Generation“, sagt Professor Kuroda.
Diese Anwendungen können Schichten erfordern, die den quantenanomalen Hall-Effekt zeigen, was diese Forschung gezeigt hat, ist möglich und kann leicht hergestellt werden.
Die Studie wurde veröffentlicht in Das Journal of Physical Chemistry Letters.
Ryota Akiyama et al., Direkte Untersuchung des ferromagnetischen Proximitätseffekts an der Grenzfläche einer SnTe/Fe-Heterostruktur durch polarisierte Neutronenreflektometrie, Das Journal of Physical Chemistry Letters (2022). DOI: 10.1021/acs.jpclett.2c01478