CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN TÔ PÔ Vật liệu cách điện tô pô được xem như là loại vật liệu có tính chất khác thường với khối lõi của vật liệu này có tính cách điện do trong cấu trúc dải năng lượng điện tử có tồn tại vùng cấm (hình 1. Nguyên nhân là do vật liệu này có nồng độ hạt tải rất thấp. Tuy nhiên, liên kết spin – quỹ đạo bên trong vật liệu tạo ra hiệu ứng Hall lượng tử và làm hình thành cấu trúc dải năng lượng liên tục của điện tử bề mặt. Do vậy vật liệu có khả năng dẫn điện với độ dày bằng một số lớp nguyên tử bề mặt (hình 1.
Hơn nữa, các điện tử dẫn bề mặt hoàn toàn không bị tán xạ ngược dẫn đến các điện tử dẫn có độ linh động cao và mức tổn hao năng lượng rất thấp. (a) Mô hình dải năng lượng điện tử (b) các điện tử dẫn chuyển động trên bề mặt vật liệu cách điện tô pô[Yoichi Ando, J.mtrl-sci] 3 Sep 2013] Việc hiện nay nhiều nhóm nghiên cứu chọn vật liệu cách điện tô pô là do nó được dự đoán là loại vật liệu có khả năng ứng dụng cao trong các linh kiện spinstronics [9],[36],[37] do nó có các tính chất điện và từ nổi trội sau đây: i) Vật liệu có các điện tử dẫn bề mặt không bị tán xạ dẫn đến tiêu hao năng lượng thấp; 4 ii) Vật liệu có hiệu ứng từ trở lớn do hằng số điện môi của khối lõi phụ thuộc khá lớn vào từ trường ngoài [37]; iii) Vật liệu có dòng spin phân cực lớn và có thể sử dụng như một nguồn bơm spin để thay đổi hướng từ hóa của lớp vật liệu từ tiếp xúc với nó với mật độ dòng điện nhỏ [42]; iv) Ngoài ra, do cấu trúc cũng như tính chất điện của loại vật liệu này có thể thay đổi với nhiệt độ và từ trường ngoài nên nó cũng có thể được sử dụng trong những phần tử logic hoặc phần tử nhớ của thế hệ máy tính lượng tử trong tương lai [29]. Gần đây SmB6 đã được dự đoán trở thành một vật liệu cách điện Kondo tô pô. Các tinh thể chất lượng cao là cần thiết để nghiên cứu các tính chất tô pô của loại vật liệu này.
Đơn tinh thể SmB6 được nuôi bằng phương pháp Aluminium-Flux. Các đơn tinh thể có chất lượng và kích thước lớn đã thu được từ phương pháp này, các phép đo điện từ đã được sử dụng để nghiên cứu đặc điểm tinh thể. SmB6 là tinh thể lý tưởng cho việc nghiên cứu cả tính chất bề mặt và tính chất khối [20].1 Giới thiệu tổng quan Vật liệu cách điện tôpô là loại vật liệu được phát hiện gần đây được cho là sẽ thể hiện nhiều đặc tính mới do sự liên kết spin-quỹ đạo (SOC: Spin- Orbit Coupling) mạnh dẫn đến các trạng thái bề mặt dẫn điện cao nhưng vẫn cách điện trong khối lõi. Cấu trúc dải năng lượng các trạng thái bề mặt dẫn phân cực spin được đặc trưng bởi một số lẻ của các nón Dirac phân tán tuyến tính mạnh chống lại sự mở rộng của khe năng lượng bề mặt từ các nhiễu, mà các nhiễu loạn không làm phá vỡ đối xứng thời gian đảo (TRS: Time- Reversal Symmetry) trong hệ.
Những tính chất này sẽ triệt tiêu sự tán xạ ngược trên bề mặt và cho phép các dòng phân cực spin phân tán trên bề mặt. Tuy nhiên, hiện tại có rất nhiều thách thức trong thực tế hạn chế việc nghiên cứu và tận dụng các tính chất của các trạng thái bề mặt, bao gồm các khuyết 5 tật mật độ cao trong nuôi các tinh thể TI và độ rộng vùng cấm nhỏ trong khối lõi (nhỏ hơn 0,35eV) như đã biết về vật liệu TI. Ngoài ra, TRS có thể bị phá vỡ trong hệ gây ra trật tự từ trong vật liệu qua pha tạp nguyên tố, sẽ dẫn đến sự hình thành dải năng lượng bề mặt nếu từ trường nằm ngoài mặt phẳng của bề mặt. Sự từ hóa sẽ đóng vai trò phân chia năng lượng hạt tải của spin-up và spin-down trên bề mặt, thể hiện cho sự mất TRS.
Mặc dù hệ bị phá vỡ TRS không còn các hạt tải dòng spin phân tán thấp trên bề mặt, các trạng thái bề mặt cũng rất quan trọng vì nhiều hiện tượng thú vị được đề xuất phát sinh từ một trạng thái như trạng thái Hall lượng tử dị thường [21],[30] và các hiệu ứng điện từ mới lạ [22], [38] cho phép điện trường để gây ra sự từ hóa song song với điện trường hoặc từ trường từ một lưỡng cực điện dọc theo hướng từ trường. Ngoài ra, khi một TI tiếp xúc với một chất siêu dẫn, người ta cũng mong đợi rằng một giả hạt bao gồm một dòng xoáy siêu dẫn với hạt tải bề mặt của một TI tương tác như một hạt fermion Majorana, tương tác như phản hạt chính mình đã được đưa ra trong việc phát triển các máy tính lượng tử với khả năng xử lý lỗi [22], điều này dự kiến sẽ giải quyết nhiều vấn đề, chẳng hạn như thừa số nguyên, nhanh hơn nhiều so với một máy tính thông thường. Mô tả về cách điện Tô pô Các đặc điểm của một chất cách điện tô pô phân biệt nó với một chất cách điện thông thường là cấu trúc vùng năng lượng của TI không thể liên tục biến đổi như cách điện thông thường nào mà không thu hẹp độ rộng vùng cấm trong khối lõi dựa vào liên kết mạnh SOC làm đảo ngược vùng hóa trị và vùng dẫn, cho phép tạo ra các chất cách điện dựa trên cấu trúc vùng năng lượng có thể thu được từ các cấu trúc khác thông qua chuyển đổi liên tục [39]. Điều này tương tự như bài tập trong chủ đề toán học của tô pô nơi các bề mặt hoặc vật thể trong không gian Euclide có thể được phân loại theo một biến bất biến tô pô gọi là chi, đại diện cho số lỗ trống trong không gian Euclide.
Hai đối tượng bất kỳ có cùng số lỗ trống có thể được biến đổi liên tục với nhau 6 trong khi các đối tượng của chi khác không thể thay đổi số lượng lỗ trống sẽ tạo thành sự biến đổi không liên tục. Các trạng thái bề mặt không tồn tại độ rộng vùng cấm trong khối lõi nó có đặc điểm của TIs là kết quả của việc thu hẹp độ rộng vùng cấm trong khối lõi với bề mặt của TI với một chất cách điện thông thường hoặc không khí / chân không do sự kết hợp giữa tô pô các cấu trúc dải riêng biệt đáp ứng ở bề mặt là một thuộc tính của chính TI. Các trạng thái bề mặt được đặc trưng bởi tán sắc nón Dirac (hình 1.2), có nghĩa là các dải năng lượng không có độ cong và do đó bề mặt không có khối lượng. Tán sắc nón Dirac trên bề mặt TIs, trạng thái bề mặt được spin phân cực hướng tới spin và hướng véc tơ sóng bị khóa góc phải[Meyer, Nicholas Ross, "Topological insulator growth and characterization" (2013).
Graduate Theses and Dissertations.Paper 13443] Các bề mặt Fermi của các trạng thái bề mặt (thể hiện cho các trạng thái bề mặt chiếm chỗ ở mức năng lượng cao nhất trong động lượng hoặc không gian k ở nhiệt độ 0K) khi mức năng lượng Fermi thấp là các vòng tròn đồng nhất giảm độ lớn trước khi hội tụ tới một điểm Dirac đơn và sau đó tái xuất hiện khi mở rộng vòng[5],[19]. SOC mạnh cũng đảm bảo rằng các trạng thái bề mặt bị phân cực spin do sự tương tác của chuyển động của điện tích và từ trường tạo ra spin sao cho trạng thái spin của hạt tải bề mặt có thể 7 được xác định từ hướng của một véc tơ sóng k và rằng chỉ có một trạng thái cho mỗi điểm trên dải năng lượng bề mặt thay vì hai được thấy từ các dải năng lượng trong khối (hình 1. Do có nguồn gốc tôpô của các trạng thái bề mặt, sự phân bố bề mặt vùng cấm có thể giữ được hình dạng của nó (không có sự mở rộng của dải năng lượng bề mặt) ngay cả khi có sự nhiễu như các khuyết tật hoặc pha tạp mà không phá vỡ TRS. Độ bền tô pô và SOC tương tác cùng nhau để ngăn chặn sự tán xạ của các hạt tải bề mặt, cho phép các kênh bề mặt dẫn điện cao.
Độ bền của tô pô cho phép phân tán bề mặt không bị thay đổi bởi sự có mặt của nhiễu mà không phá vỡ TRS và SOC có nghĩa là sự xáo trộn không thể gây ra sự tán xạ ngược của các hạt tải bề mặt vì sự xáo trộn sẽ cần phải thay đổi hướng quay và không chỉ hướng của vector sóng [19] [22]. Các trạng thái bề mặt đôi khi được đặc trưng như là chống lại sự tán xạ ngược do có pha Berry, một thành phần pha bổ sung của chức năng hàm sóng của hạt tải bề mặt do độ cong nội tại trong tham số không gian mô tả các trạng thái có thể của hệ [1],[10], có thể xuất hiện khi các tham số của Hamilton được tuần hoàn. Pha Berry hình học có liên quan đến khái niệm truyền tải song song và có thể được hiểu theo cách so sánh các thuộc tính hình học, chẳng hạn như các góc giữa các vectơ, nằm ở những điểm khác nhau trên một không gian cong[10]. Nguồn gốc của pha Berry có thể được hiểu bằng cách xem xét một Hamilton đơn giản cho các trạng thái bề mặt.1) vF: vận tốc Fermi, k (k x , k y ) : véc tơ sóng, x y : ma trận Pauli [38], Trong phương trình trên, các đơn vị được chọn sao cho tốc độ ánh sáng c = 1 sao cho năng lượng có đơn vị nghịch chiều dài.
Các giá trị năng lượng của toán tử H0 là E vF k , là tuyến tính chính xác cho phân tán nón Dirac.3a cho thấy một sơ đồ cấu trúc dải bề mặt từ Hamilton trên, nơi mà một 8 hướng trong không gian xung lượng đã bị triệt tiêu, hoặc tương đương, khi chúng ta tìm thấy dẫn điện một chiều trạng thái biên dẫn hướng từ một TI hai chiều. Do độ cong nội tại trong không gian tham số cho bề mặt, khi hạt tải bề mặt được vận chuyển một cách dễ dàng thông qua một vòng khép kín trong không gian tham số bao quanh điểm Dirac, nó phụ thuộc vào pha Berry hình học thêm do độ cong của không gian[10]. Giản đồ trạng thái biên của TIs (a) cùng với TRS, và (b) không TRS [Meyer, Nicholas Ross, "Topological insulator growth and characterization" (2013). Graduate Theses and Dissertations.Paper 13443] Các đặc điểm quan trọng của pha Berry là các dải năng lượng phân cực spin với giao điểm tại điểm Dirac[11].