Science: 低溫強(qiáng)磁場磁力顯微鏡—調(diào)控拓?fù)浣^緣體磁疇壁手性邊界態(tài)

    拓?fù)浣^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?fù)浣^緣體的獨(dú)特性質(zhì)。近期，理論預(yù)測存在的拓?fù)浣^緣體在實(shí)驗(yàn)上被證實(shí)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(shí)驗(yàn)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?fù)浣^緣體中實(shí)驗(yàn)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(qiáng)磁場磁力顯微鏡attoMFM在0.5K溫度與0.015T磁場環(huán)境下，證實(shí)了拓?fù)浣^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(shí)驗(yàn)上觀測到的拓?fù)浣^緣體中自然形成隨機(jī)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?fù)浣^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(jī)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(shí)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?fù)浣^緣體磁疇調(diào)控示意圖；C 拓?fù)浣^緣體材料結(jié)構(gòu)；D attoMFM實(shí)驗(yàn)觀測自然形成多個磁疇； E&F MFM探針調(diào)控磁疇

    該拓?fù)浣^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(xì)研究。通過緩慢改變磁場，不同磁場下拓?fù)浣^緣體樣品的磁疇方向可清楚地被證實(shí)發(fā)生了反轉(zhuǎn)（見圖2）。通過觀察，隨機(jī)分布?xì)馀轄畲女牐?.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?fù)浣^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(xué)輸運(yùn)結(jié)果也證實(shí)手性邊界態(tài)的調(diào)控。圖3為在溫度0.5K的時候，拓?fù)浣^緣體電學(xué)器件以及相應(yīng)的電學(xué)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(fù)h/e2的數(shù)值，證實(shí)了不同磁疇的手性邊界態(tài)的調(diào)控被實(shí)現(xiàn)。作者預(yù)見，該實(shí)驗(yàn)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?fù)浣^緣體制備器件反常量子霍爾效應(yīng)結(jié)果證實(shí)磁疇手性邊界態(tài)調(diào)控

圖4：拓?fù)浣^緣體磁疇手性邊界態(tài)調(diào)控相關(guān)設(shè)備—低溫強(qiáng)磁場原子力磁力顯微鏡

低溫強(qiáng)磁場原子力磁力顯微鏡attoAFM/MFM主要技術(shù)特點(diǎn)：
-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(xiàn)：
“Quantized chiral edge conduction on domain walls of a magnetic topological insulator” K. Yasuda, Y. Tokura et al, Science 358, 1311–1314 (2017)