Уникальность относительно нового класса материалов, топологических изоляторов (ТИ), заключается в том, что электроны могут распространяться по их поверхности не рассеиваясь, внутренняя же часть является изолятором. Но для того, чтобы использовать эти свойства ТИ в практических устройствах, требуется создавать намагниченность на поверхности, не нарушая объёмных диэлектрических характеристик.

Это можно реализовать двумя способами: внедрением (легированием) магнитных атомов в поверхность ТИ или добавлением пленки ферромагнитного изолятора (FMI). Первый метод из-за неравномерного распределения магнитных атомов может ухудшать управляемость электронного транспорта. Второй для успеха нуждается в чистой поверхности раздела двух материалов с атомарной гладкостью.

В Массачусетском технологическом институте (MIT) удалось создать гибридную гетероструктуру из двух слоёв: ТИ селенида висмута (Bi2Se3) и FMI сульфида европия (EuS). Фиксированное направление спинов FMI делало возможным беспрепятственный спин-поляризованный ток электронов в узком слое селенида висмута, примыкающем к ферромагнетику.

Для того, чтобы убедиться в этом, Валерия Лаутер (Valeria Lauter), оператор нейтронного источника Spallation Neutron Source Национальной Окриджской Лаборатории (SNS ORNL), использовала технику нейтронной рефлектометрии — единственную, способную измерить абсолютное значение магнитного момента в материалах.

Начав замеры с температуры намного ниже критической точки, в которой сульфид европия теряет ферромагнитные свойства (~17 К), Лаутер постепенно её увеличивала. Однако даже при 25 К система демонстрировала сильную намагниченность.

«Это стало полной неожиданностью. Выше данной температуры ничего в системе не должно было оставаться магнитным. — рассказывает Лаутер в статье для журнала Nature. — Тогда я измерила на 35 К, затем на 50 К и намагниченность все ещё сохранялась. Я продолжила замеры в нескольких точках вплоть до комнатной температуры и убедилась, что небольшая намагниченность остаётся».

При комнатной температуре уровень намагниченности снизился более чем на порядок, но был достаточно существенным, особенно учитывая, что без интерфейса с ТИ уже выше 500 К в EuS невозможно обнаружить следы магнитного поля. Дальнейшие эксперименты показали, что ферромагнитная зона простирается приблизительно на 2 нм вглубь селенида висмута.

«Это может открыть новый путь для создания устройств спинтроники, — отмечает Лаутер. — Также предполагается, что ферромагнитные поверхностные состояния ТИ способствуют экзотическим явлениям, таким как фермионы Майораны — потенциальные строительные блоки для квантовых компьютеров».