Quantum anomalous Hall effect in chromium-doped (Bi_(1-x)Sb_x)_2Te_3

Topological insulators are a peculiar class of materials which possess an insulating bulk but exhibits conducting surface states. A robust ferromagnetic order can be successfully achieved by doping topological insulators with 3d atoms, such as chromium or vanadium. Magnetic doped topological insulators can host the quantum anomalous Hall effect (QAHE), a fascinating phenomenon in which a dissipationless transport is achieved at the edge of the sample. This thesis reports the growth and optimization of thin films of chromium doped (Bi_{1-x}Sb_x)_2Te_3 (CBST), which leads to the final observation of QAHE. CBST thin films are grown by molecular beam epitaxy (MBE) and their structure is studied using atomic force microscopy (AFM) and x-ray diffraction (XRD). Transport measurements, carried out upon cooling samples down to 2 K, are then performed to investigate electrical and magnetic properties of the films. In particular, by extracting the critical temperature and anomalous Hall amplitude, several growth conditions are carefully optimized. These includes the amount of chromium dopants, the substrate temperature during MBE growth and the relative concentrations of Bi and Sb in the compound. After having suitably improved morphology and transport properties of CBST films, Hall bar devices are fabricated on them using photo-lithography and electron beam lithography (EBL). Transport measurements carried on these devices at about 30 mK lead to the observation of quantum anomalous Hall effect. As expected, the longitudinal resistance reaches near-zero value while the Hall resistance exhibits the quantized value of h/e^2 when measuring the magnetic field dependence. Furthermore, the effect of an electrical gating and the current-induced breakdown are investigated.

Gli isolanti topologici costituiscono una classe di materiali con caratteristiche peculiari. Essi, infatti, hanno un bulk isolante ma presentano superfici dal carattere metallico. È possibile introdurre un ferromagnetismo robusto in tali materiali drogandoli con atomi del blocco 3d, come il cromo o il vanadio. In isolanti topologici così drogati è possibile osservare l'effetto Hall quantistico anomalo (quantum anomalous Hall effect, QAHE), un fenomeno affascinante in cui il trasporto di corrente lungo i bordi del campione avviene senza dissipazione. In questa tesi è trattata la crescita e l'ottimizzazione di film sottili di (Bi_{1-x}Sb_x)_2Te_3 drogati con cromo (CBST), terminata con l'osservazione dell'effetto Hall quantistico anomalo. I film sottili di CBST sono stati cresciuti mediante epitassia da fasci molecolare (MBE) e la loro struttura è stata studiata tramite microscopia a forza atomica (AFM) e diffrazione a raggi X (XRD). Tramite misure del trasport di corrente, effettuate raffreddando i campioni fino a 2K, sono state poi studiate le properietà elettriche e magnetiche dei film. In particolare, tramite l’estrazione della temperatura critica e dell’entità dell’effetto Hall anomalo, sono state ottimizzati con attenzione diversi parametri di crescita. Questi includono la concentrazione del cromo, la temperatura del substrato durante la crescita dei film e le concentrazioni relative di bismuto e antimonio nel composto. Dopo aver migliorato opportunamente la morfologia e le proprietà di trasporto dei film di CBST, sono stati fabbricati su di essi dispositivi a 6 terminali (Hall bars), utilizzando fotolitografia e litografia a fascio elettronico (EBL). Le misure di trasporto effettutate a circa 30 mK su questi dispositivi hanno portato all’osservazione dell’effetto Hall quantistico anomalo. Come previsto, la resistenza longitudinale si annulla quasi completamente, mentre la resistenza di Hall mostra il valore quantizzato h/e^2 quando si misura la dipendenza dal campo magnetico. Inoltre, sono stati studiati anche l’effetto di un gate e il breakdown indotto dalla corrente.