Mn(Bi _1?x Sb _x ) ₆ Te ₁₀ (x = 0.18)的平衡能带结构。(a) MBT 和 1-BT 终端上沿 Γ–M 方向的能带结构。(b) 5 K 下 18% Sb 掺杂 MnBi ₆ Te ₁₀的霍尔测量结果显示，载流子密度约为 6.5 × 10 ¹⁸ cm ^?3，接近电荷中性点。(c) MnBi ₆ Te ₁₀中不同解理终端的示意图及其能带结构草图。

科学家们在研究一种前景广阔的量子材料时发现了一个惊喜：这种材料在其晶体结构中自然形成了世界上最薄的半导体结之一--这是大多数现代电子器件的组成部分。这个结只有 3.3 纳米厚，比一张纸薄约 25000 倍。

“这是一个巨大的惊喜，”杨硕龙副教授说?！拔颐遣⒚挥惺酝贾圃煺庵纸岬?，但这种材料自己就形成了，而且是我们见过的最薄的结点之一?！?/span>

这一发现为制造超微型电子元件提供了一种方法，同时也让人们深入了解了电子在量子应用材料中的行为方式。

这篇题为 “电荷中性磁性拓扑绝缘体单元内电荷再分布的光谱学证据 ”的论文发表在《纳米尺度》（Nanoscale）杂志上。

不均匀电子

芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago Pritzker School of Molecular Engineering）和宾夕法尼亚州立大学（Pennsylvania State University）的研究人员正在研究MnBi₆Te₁₀的电子特性?？蒲Ъ颐窍Ｍ饫嗤仄瞬牧嫌谐蝗漳苡糜诹孔蛹扑慊虺咝У缱由璞?。

但是，像MnBi₆Te₁₀这样的材料要想正常工作，需要仔细平衡和分布电子。研究小组认为，通过调整材料的化学构成并在MnBi₆Te₁₀中加入锑，他们已经达到了适当的平衡。定期的电气测试证实，这种材料整体呈现理想的电中性状态。

随后，杨教授的团队进行了更深入的观察，利用一种名为时间和角度分辨光发射光谱（trARPES）的技术，使用超快激光脉冲来观察电子如何分布以及它们的能级如何实时变化?？蒲Ъ颐强吹搅艘恍┮庀氩坏降南窒?。在晶体的每个重复层内--只有几个原子厚--电子并没有均匀分布。相反，它们在某些部分聚集在一起，而在其他部分则留下了较少的电子。这就在材料内部形成了微小的内置电场。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院的研究人员，包括助理教授杨硕龙（左）和研究生阮庆维（Khanh Duy Nguyen），发现了世界上最薄的半导体结之一，它自然形成于一种极具前景的量子材料中。

“在理想的量子材料中，你希望电荷的分布非常均匀，”这项新工作的第一作者、芝加哥大学 PME 研究生 阮庆维（Khanh Duy Nguyen）说。“这种不均匀的分布表明，我们可能无法以最初计划的方式实现量子应用，但却揭示了另一种非常有用的现象。

这些微小区域就像p-n结，这是一种包含内部电场的半导体结，用于制造二极管，类似于手机和电脑等日常电子产品中的二极管。但与人造 p-n 结不同的是，这些 p-n 结是作为晶体本身的一部分自然形成的。

量子和电子应用的福音

由于这种天然形成的新型 p-n 结对光线的反应也很灵敏，因此它可以用于下一代电子学，包括自旋电子学--一种利用电子的磁自旋而不是电荷来存储和操纵数据的技术。

通过模拟MnBi₆Te₁₀晶体结构中发生的情况，阮、杨和他们的同事能够就其如何形成p-n结形成一个假设。他们怀疑，将锑引入MnBi₆Te₁₀中会导致锰原子和锑原子的交换，从而造成整个材料的电荷差异。

电荷中性的Mn(Bi _0.82 Sb _0.18 ) ₆ Te ₁₀材料中的电荷重分布阻碍了量子反?；舳вΦ氖迪?。电荷分布的不平衡导致MBT层始终处于电子掺杂状态，而非均匀的电荷中性。

虽然这一发现增加了将这种材料用于某些类型的量子效应的复杂性，但它为电子学开辟了新的应用领域。它还为进一步设计MnBi₆Te₁₀铺平了道路，使其能够保持电子的均匀分布，并在量子工程中发挥作用。

芝加哥大学的 PME 团队正在微调制造这种材料薄膜的方法，而不是制造大型三维晶体。这可以让他们更精确地控制电子的行为，从而增强量子特性或提高微小 p-n 结的产量。

杨教授说：“这再次证明了从事基础科学研究的价值，以及对研究方向的开放态度。我们带着一个目标出发，却发现了一个惊喜，把我们引向了另一个非常令人兴奋的方向?！?/span>

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