Изображение с помощью сканирующего электронного микроскопа (слева) нанопроволоки гексаборида самария, связанной с СТМ, с изображениями из нового исследования (в центре и справа). Среднее изображение представляет собой увеличенное изображение, на котором показаны полосы свет-темно-свет, возникающие в антиферромагнитном материале. Предоставлено авторами для использования в этой новости.

Независимо от того, смотрите ли вы в космос или вглядываетесь в микроскопическое царство, всегда есть что увидеть. В случае с твердыми телами существует мир атомов и частиц, изобилующих активностью, которая в конечном итоге приводит к таким полезным свойствам, как электропроводность, магнетизм и изоляция.

Одним из самых мощных инструментов для наблюдения невидимого является сканирующий туннельный микроскоп или сокращенно СТМ. Его мощный глаз создается не оптической линзой, а электрическим током, проходящим между наконечником микроскопа и материалом образца. Наконечник сканирует образец и генерирует сигнал, который меняется в зависимости от того, как атомы расположены в данном материале. В совокупности сканы отображают поверхности с субнанометровым разрешением, выявляя электроны и местоположения отдельных атомов.

Недавно группа исследователей IQUIST из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне добавила изюминку в свою СТМ, заменив наконечник нанопроволокой, сделанной из экзотического материала, гексаборида самария (SmB₆). Они используют нанопроволоку для изображения магнитных элементов в подходе, который имеет потенциальные преимущества по сравнению с другими методами. Как было опубликовано в выпуске журнала Science от 9 сентября, их совместные измерения и расчеты свидетельствовали о необычной природе самой нанопроволоки.

«Лин Цзяо, бывший постдоктор в нашей группе, предложил идею о том, что этот тип наконечника нанопроволоки может дать нам ответ «да» или «нет» относительно того, является ли материал магнитным или нет», — сказал член IQUIST Видья Мадхаван, профессор физики и автор-корреспондент статьи. «К нашему большому удивлению, Анува Айшвария, аспирант группы, показала, что эти советы могут дать гораздо больше информации».

В основе СТМ лежит эффект, который позволяет электронам «туннелировать» через барьер. Электроны — это фундаментальные частицы, управляемые квантовой физикой, и они могут вести себя как волны. В отличие от водяных волн, электроны необязательно рассеиваются или полностью отскакивают, когда сталкиваются с поверхностью. Когда они сталкиваются со сверхтонким барьером, часть волны может просочиться сквозь него в процессе, называемом квантовым туннелированием. В СТМ между наконечником микроскопа и материалом образца имеется зазор. Электроны могут туннелировать через эту щель, создавая электрический сигнал, который, в свою очередь, содержит информацию об образце.

В дополнение к заряду электроны обладают свойством, называемым спином, который можно изобразить в виде стрелки, прикрепленной к электрону. Обычно электрические токи могут содержать электроны, спины которых направлены в случайном направлении. Но ученые могут уговорить некоторые материалы переносить токи с заблокированным направлением вращения. Например, токи с фиксированным спином (поляризованные) в СТМ могут генерироваться комбинацией магнитных наконечников и внешних магнитов. К сожалению, добавленные магниты могут быть инвазивными и могут непреднамеренно воздействовать на атомы образца. В новом исследовании исследователи использовали другой подход к созданию спин-поляризованных токов.

Вместо использования магнитного наконечника команда использовала немагнитный SmB₆. Около десяти лет назад ученые предсказали, что этот материал может быть топологическим изолятором Кондо, который должен иметь необычайно стабильные спин-поляризованные токи без каких-либо дополнительных магнитов. Таким образом, на поверхности SmB 6электрические токи, движущиеся вправо, должны иметь электроны со спином вверх, и наоборот для токов влево. Токи могут выжить даже перед лицом нежелательных дефектов в материале. Это общая черта топологических изоляторов, но ученые столкнулись с трудностями при переводе этой довольно экзотической физики в реальные технологические приложения. Более того, ученые все еще пытаются понять различные разновидности топологических материалов. Это новое исследование предоставляет убедительные доказательства того, что SmB 6 действительно является топологическим изолятором Кондо и заставляет свои специфические токи работать, упрощая магнитную визуализацию.

В лаборатории Мадхавана команда использовала нанофабрикацию для модификации СТМ. Чжуочжэнь (студент группы) под руководством Линь провел сотни часов в чистой комнате, разрабатывая эту процедуру. Во-первых, они использовали ионный пучок, чтобы отколоть обычный наконечник, сделанный из вольфрама. Затем они встроили нанопроволоку в канавку шириной всего несколько сотен нанометров. Провода имели диаметр около 60-100 нанометров, что примерно соответствует размеру некоторых вирусов.

Они просканировали наконечник по поверхности теллурида железа, который является антиферромагнетиком. Такие материалы имеют чередующиеся области электронов со спином вверх и вниз, и общая намагниченность компенсируется. Это контрастирует с более привычными обычными стержневыми магнитами, у которых все электронные спины направлены в одном направлении. Предыдущие СТМ-изображения с магнитными наконечниками показывали светлые-темные-светлые полосы, что означает, что образец является антиферромагнитным. Команда собрала аналогичные изображения с новой установкой немагнитных нанопроволок, которые показали, что туннелирующие электроны из SmB 6были спин-поляризованы. Когда игла находилась над областью антиферромагнетика со спинами, совпадающими с ориентацией спинов поверхностного тока, сигнал возрастал; в противном случае он уменьшился. СТМ зафиксировал эти вариации при сканировании образца и показал четкие узоры, соответствующие полосам чередующихся вращений.

Чтобы еще раз подтвердить, что сигналы нанопроводов связаны с необычными токами SmB₆, команда разогрела эксперимент выше 10 Кельвинов. При этой температуре SmB 6больше не должен быть топологическим изолятором Кондо и потеряет свои поверхностные спиновые токи. Важно отметить, что СТМ больше не обнаружил никаких антиферромагнитных полос, хотя магнитное упорядочение образца сохраняется при этой температуре. Они обнаружили, что спин-поляризованные токи просто отсутствуют в нанопроволоке выше этой температуры. Команда провела третью проверку спин-поляризованных токов, изменив направление напряжения, подаваемого на кончик нанопроволоки. Это изменило направление туннельного тока между СТМ и образцом. Изображения СТМ показали, что контраст на изображениях инвертирован, что может произойти только в том случае, если туннелирующие электроны имеют спиновую поляризацию, которая меняется при изменении направления тока. Вместе эти данные показали экзотическую природу SmB₆.

«Мы можем переключить нанопроволоку на кончике на другой материал, что позволит нам исследовать другие, потенциально необычные аспекты нашего образца», — сказала Анува Айшвария, ведущий автор и аспирант физики в группе Мадхавана. «Я очень взволнован этим, потому что он открывает двери для новой нанотехнологии обнаружения!»

По словам Мадхавана, свойства наконечника оказались на удивление повторяемыми. Команда могла даже подвергнуть нанопроволоки воздействию воздуха, и они всегда хорошо справлялись с СТМ. Многое еще неизвестно о SmB₆, но его надежные характеристики в сочетании с данными измерений согласуются с предсказаниями о его топологической природе.

«Этот метод, возможно, является первым реальным применением топологического изолятора, и, что примечательно, для его работы крайне важно, чтобы происхождение топологии происходило от сильных многоэлектронных взаимодействий, как и ожидалось в SmB 6 », — сказал член IQUIST Тейлор Хьюз. , который является профессором физики и соавтором исследования.

В будущих исследованиях команда планирует модифицировать нанопроволоку, чтобы увидеть, сможет ли она выявить еще больше свойств материала. Например, они заинтересованы в создании и обнаружении экзотических объектов, подобных частицам, таких как майорановские фермионы, которые уже давно предлагаются в качестве основы для новых квантовых вычислительных устройств.