Za objav topologických vlastnosti tuhých látok bola v roku 2016 udelená Nobelova cena za fyziku. Náš aktuálny výskum bol zameraný na štúdium jedného z prvých objavených topologických izolátorov Bi2Se3. Materiál, ktorý sa správa ako izolátor vo vnútri, avšak obsahuje voľné elektróny na povrchu.
Aby bolo možné študovať prejav týchto elektrónov bolo potrebné realizovať meranie elektrických vlastnosti na veľmi tenkej niekoľko nano-metrovej vrstve. Štruktúra, pomocou ktorej bolo možné merať kvanta elektrickej vodivosti, bola pripravená pomocou elektrónovej litografie využitím rastrovacieho elektrónového mikroskopu.
Jedným z významných prejavov „topologickosti“ daného materiálu je, že elektrónové stavy sú topologicky chránené, čo v jednoduchosti znamená, že ak elektrón v materiáli narazí na nemagnetickú nečistotu, nesmie sa od nej odraziť naspäť o 180 stupňov. Vďaka tomu materiál vykazuje väčšiu elektrickú vodivosť. V prípade ak sa v topologickom materiáli nachádza magnetická nečistota, táto vlastnosť sa stráca. Toto je spojené aj so stratou lineárnosti disperzného spektra a vytvorením energetickej medzery Δ. Cieľom našej práce bolo otestovať existujúcu teoretickú predpoveď pre zmenu parametra κ vo vonkajšom magnetickom poli. Tento parameter poskytuje informáciu o tom ako rýchlo klesá elektrická vodivosť s klesajúcou teplotou pri nízkych teplotách. Naše experimenty ukázali, že existujúca teoretická predpoveď dobre popisuje správanie čistého Bi2Se3, kde dochádza k zmene parametra κ o +0.5.
Avšak je v rozpore s našimi pozorovaniami v Bi2Se3 dopovanom magnetickým mangánom. Na prvý pohľad otvorenie energetickej medzery prináša správnu zmenu parametra κ o -0.5, žiaľ energetická medzera Δ, prítomná v našom systéme nie je dostatočne veľká, aby vyvolala takúto zmenu a tu dochádza k rozporu s existujúcou teóriou. Za zmenu κ o -0.5 musí byť teda zodpovedný iný jav.
Výsledkom našej práce je objavenie fundamentálnej medzery v našom chápaní magneticky dopovaných topologických izolátoroch. Možným vysvetlením zmeny znamienka κ o -0.5 je prítomnosť feromagnetického usporiadania magnetických momentov mangánu. Výsledky nášho štúdia boli publikované v prestížnom časopise Americkej fyzikálnej spoločnosti [V. Tkáč et al., Physical Review Letters 123 (2019) 036406] s impaktovým faktorom 8,839.
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.036406
