Wissenschaftler verwandeln einen Nanodraht mit exotischen Strömen in eine Sonde für Magnetismus

Ob Sie in den Weltraum blicken oder tief in die mikroskopische Welt blicken, es gibt immer mehr zu sehen. Im Fall von Festkörpern gibt es eine Welt voller Atome und Teilchen voller Aktivität, die letztendlich zu nützlichen Eigenschaften wie elektrischer Leitung, Magnetismus und Isolierung führt.

Eines der leistungsstärksten Werkzeuge, um das Unsichtbare zu sehen, ist ein Rastertunnelmikroskop oder kurz STM. Anstelle einer optischen Linse kommt sein starkes Auge von einem elektrischen Strom, der zwischen der Spitze des Mikroskops und dem Probenmaterial fließt. Die Spitze scannt über die Probe und erzeugt ein Signal, das sich je nach Anordnung der Atome in einem bestimmten Material ändert. Zusammengenommen bilden die Scans Oberflächen mit einer Auflösung im Subnanometerbereich ab und zeigen Elektronen und einzelne Atompositionen.

Kürzlich fügte ein Team von IQUIST-Forschern an der University of Illinois Urbana-Champaign seinem STM eine Wendung hinzu, indem es die Spitze durch einen Nanodraht aus einem exotischen Material, Samariumhexaborid (SmB6), ersetzte. Sie verwenden den Nanodraht, um magnetische Merkmale in einem Ansatz abzubilden, der im Vergleich zu anderen Methoden potenzielle Vorteile hat. Wie in der Ausgabe vom 9. September veröffentlicht Wissenschaft, Ihre kombinierten Messungen und Berechnungen zeigten Beweise für die ungewöhnliche Natur des Nanodrahts selbst.

„Lin Jiao, ein ehemaliger Postdoc in unserer Gruppe, schlug die Idee vor, dass diese Art von Nanodrahtspitze uns eine Ja-Nein-Antwort geben könnte, ob ein Material magnetisch ist oder nicht“, sagte IQUIST-Mitglied Vidya Madhavan. ein Physikprofessor und korrespondierender Autor des Papiers. „Zu unserer großen Überraschung zeigte Anuva Aishwarya, eine Doktorandin in der Gruppe, dass diese Tipps viel mehr Informationen liefern könnten.“

Das Herzstück eines STM ist ein Effekt, der Elektronen durch eine Barriere „tunneln“ lässt. Elektronen sind fundamentale Teilchen, die von der Quantenphysik beherrscht werden und wie Wellen wirken können. Im Gegensatz zu Wasserwellen zerstreuen sich Elektronen nicht unbedingt oder prallen vollständig zurück, wenn sie auf eine Oberfläche treffen. Wenn sie auf eine superdünne Barriere treffen, kann ein Teil der Welle in einem Prozess namens Quantentunneln durchdringen. In einem STM gibt es einen Spalt zwischen der Spitze des Mikroskops und dem Probenmaterial. Die Elektronen können durch diesen Spalt tunneln und erzeugen ein elektrisches Signal, das wiederum Informationen über die Probe enthält.

Zusätzlich zur Ladung haben Elektronen eine Eigenschaft namens Spin, die man sich als Pfeil vorstellen kann, der am Elektron befestigt ist. Typischerweise können elektrische Ströme Elektronen enthalten, deren Spins in zufällige Richtungen zeigen. Aber Wissenschaftler können einige Materialien dazu bringen, Ströme mit gesperrter Spinrichtung zu führen. Beispielsweise können (polarisierte) Ströme mit festem Spin in STMs mit einer Kombination aus Magnetspitzen und externen Magneten erzeugt werden. Leider können die hinzugefügten Magnete invasiv sein und die Probenatome unbeabsichtigt beeinflussen. In der neuen Studie verfolgten die Forscher einen anderen Ansatz, um spinpolarisierte Ströme zu erzeugen.

Anstatt eine magnetische Spitze zu verwenden, verwendete das Team nichtmagnetisches SmB6. Vor etwa einem Jahrzehnt sagten Wissenschaftler voraus, dass dieses Material ein topologischer Kondo-Isolator sein könnte, der ohne zusätzliche Magnete ungewöhnlich stabile spinpolarisierte Ströme aufweisen sollte. Daher sollten auf der Oberfläche von SmB6 nach rechts fließende elektrische Ströme Elektronen mit Spin-up haben und umgekehrt für Ströme nach links. Die Ströme können sogar angesichts unerwünschter Defekte im Material überleben. Dies ist ein allgemeines Merkmal topologischer Isolatoren, doch Wissenschaftler standen vor Herausforderungen bei der Umsetzung dieser eher exotischen Physik in reale Technologieanwendungen. Darüber hinaus versuchen Wissenschaftler immer noch, die verschiedenen Arten topologischer Materialien zu verstehen. Diese neue Studie liefert starke Beweise dafür, dass SmB6 tatsächlich ein topologischer Kondo-Isolator ist und seine besonderen Ströme einsetzt, um die magnetische Bildgebung zu vereinfachen.

In Madhavans Labor nutzte das Team Nanofabrikation, um das STM zu modifizieren. Zhuozhen (ein Student in der Gruppe) verbrachte unter der Leitung von Lin Hunderte von Stunden in einem Reinraum, um dieses Verfahren zu entwickeln. Zuerst verwendeten sie einen Ionenstrahl, um die normale Spitze abzuschlagen, die aus Wolfram besteht. Dann betteten sie den Nanodraht in einen nur wenige hundert Nanometer breiten Graben ein. Die Drähte hatten einen Durchmesser von etwa 60 bis 100 Nanometern, was ungefähr der Größe einiger Viren entspricht.

Sie scannten die Spitze über die Oberfläche von Eisentellurid, das ein Antiferromagnet ist. Solche Materialien haben abwechselnde Bereiche von Spin-up- und Spin-down-Elektronen, und die Gesamtmagnetisierung hebt sich auf. Dies steht im Gegensatz zu bekannteren gewöhnlichen Stabmagneten, bei denen alle Elektronenspins in eine einzige Richtung zeigen. Frühere STM-Bilder mit magnetischen Spitzen zeigten Hell-Dunkel-Hell-Streifen, was bedeutet, dass die Probe antiferromagnetisch ist. Das Team sammelte ähnliche Bilder mit dem neuen nichtmagnetischen Nanodrahtaufbau, die darauf hindeuteten, dass die Tunnelelektronen von SmB6 spinpolarisiert waren. Wenn sich die Spitze über einem Bereich des Antiferromagneten mit Spins befand, die der Ausrichtung der Spins des Oberflächenstroms entsprachen, nahm das Signal zu; andernfalls nahm es ab. Das STM zeichnete diese Variationen auf, während es über die Probe scannte, und zeigte klare Muster, die den Streifen mit abwechselnder Drehung entsprachen.

Um weiter zu bestätigen, dass die Nanodrahtsignale mit den ungewöhnlichen Strömen von SmB6 zusammenhängen, erwärmte das Team das Experiment auf über 10 Kelvin. Bei dieser Temperatur sollte SmB6 kein topologischer Kondo-Isolator mehr sein und wird seine Oberflächenspinströme verlieren. Entscheidend ist, dass das STM keine antiferromagnetischen Streifen mehr beobachtete, obwohl die magnetische Ordnung der Probe bei dieser Temperatur erhalten bleibt. Sie fanden heraus, dass oberhalb dieser Temperatur im Nanodraht einfach keine spinpolarisierten Ströme vorhanden waren. Das Team führte eine dritte Überprüfung der spinpolarisierten Ströme durch, indem es die Richtung der an die Nanodrahtspitze angelegten Spannung änderte. Dies kehrte die Richtung des Tunnelstroms zwischen dem STM und der Probe um. Die STM-Bilder zeigten, dass der Kontrast in den Bildern umgekehrt ist, was nur passieren kann, wenn die Tunnelelektronen eine Spin-Polarisation haben, die umkehrt, wenn der Strom die Richtung ändert. Zusammen zeigten diese Beweise die exotische Natur von SmB6.

„Wir können den Nanodraht an der Spitze auf ein anderes Material umstellen, wodurch wir andere, möglicherweise ungewöhnliche Aspekte unserer Probe untersuchen könnten“, sagte Anuva Aishwarya, Hauptautorin und Doktorandin der Physik in Madhavans Gruppe. „Ich freue mich sehr darüber, weil es Türen zu einer neuen Sensortechnik im Nanomaßstab öffnet!“

Die Spitzeneigenschaften waren überraschend wiederholbar, sagte Madhavan. Das Team konnte die Nanodrähte sogar der Luft aussetzen und sie schnitten im STM durchweg gut ab. Über SmB6 ist noch vieles unbekannt, aber seine robuste Leistung in Kombination mit den Messdaten stimmt mit den Vorhersagen über seine topologische Natur überein.

„Diese Technik ist vielleicht die erste wirkliche Anwendung eines topologischen Isolators, und bemerkenswerterweise ist es für ihre Funktion entscheidend, dass der Ursprung der Topologie aus starken Vielelektronen-Wechselwirkungen stammt, wie es in SmB6 erwartet wird“, sagte IQUIST-Mitglied Taylor Hughes, der Professor für Physik und Co-Autor der Studie ist.

In zukünftigen Studien plant das Team, den Nanodraht zu modifizieren, um zu sehen, ob er noch mehr Materialmerkmale aufzeigen kann. Sie sind beispielsweise daran interessiert, exotische teilchenähnliche Einheiten wie Majorana-Fermionen zu erzeugen und zu entdecken, die seit langem als Grundlage für neuartige Quantencomputergeräte vorgeschlagen werden.