[論文レビュー] Carrier-independent ferromagnetism and giant anomalous Hall effect in magnetic topological insulator

Cui‐Zu Chang, Jinsong Zhang+14 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2011

Topological Materials and Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、分子線 epitaxy を用いて成長した Cr-doped BiₓSb₂₋ₓTe₃ 薄膜において、キャリアに依存しない強磁性を実証した。巨大な異常ホール効果が観測され、異常ホール角が 0.2 に達し、ゼロ磁場下のホール抵抗が h/e² に近づくことから、量子化された異常ホール状態に近い状態にあることが示唆され、時間反転対称性が破れたトポロジカル絶縁体におけるトポロジカル磁電効果を実現する道筋が前進した。

ABSTRACT

Breaking the time-reversal symmetry of a topological insulator (TI) by ferromagnetism can induce exotic magnetoelectric phenomena such as quantized anomalous Hall (QAH) effect. Experimental observation of QAH effect in a magnetically doped TI requires ferromagnetism not relying on the charge carriers. We have realized the ferromagnetism independent of both polarity and density of carriers in Cr-doped BixSb2-xTe3 thin films grown by molecular beam epitaxy. Meanwhile, the anomalous Hall effect is found significantly enhanced with decreasing carrier density, with the anomalous Hall angle reaching unusually large value 0.2 and the zero field Hall resistance reaching one quarter of the quantum resistance (h/e2), indicating the approaching of the QAH regime. The work paves the way to ultimately realize QAH effect and other unique magnetoelectric phenomena in TIs.

研究の動機と目的

• 量子化された異常ホール効果を観測するための前提となる、キャリアの種別および密度に依存しないトポロジカル絶縁体における強磁性の実現。
• 観測を複雑にするキャリア依存性磁気秩序を排除することにより、内在的なトポロジカル磁電効果を明確にすること。
• キャリア密度を低下させることで異常ホール効果が増強されることを示し、量子化された異常ホール状態に近づく兆候を示すこと。
• トポロジカル絶縁体における、量子化された異常ホール効果を含む特異な磁電効果を実現するための材料プラットフォームを提供すること。

提案手法

• 制御されたドーピングレベルを有する高品質な Cr-doped BiₓSb₂₋ₓTe₃ 薄膜を、分子線 epitaxy を用いて成長させた。
• キャリアの種別および濃度に依存しない磁気輸送測定により、強磁性秩序が確認された。
• キャリア密度を変化させた条件下で、異常ホール効果を系統的に測定し、電荷キャリア依存性を評価した。
• ホール輸送データから異常ホール角およびホール抵抗を抽出し、効果の強度を定量した。
• トポロジカル磁電効果の出現を調べるため、低キャリア密度領域にシステムをチューニングした。
• 観測された異常ホール効果のキャリア密度依存性と磁気秩序のスケーリングから、理論的意味を推察した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トポロジカル絶縁体における強磁性は、キャリアの種別および密度に依存せずに達成可能か？
• RQ2 磁性ドーピングを施したトポロジカル絶縁体において、キャリア密度を低下させると異常ホール効果はどのように変化するか？
• RQ3 異常ホール角およびゼロ磁場下のホール抵抗は、量子化された異常ホール効果の特徴にどの程度近づくか？
• RQ4 内在的な磁性秩序は、キャリア依存性のない効果を介して、トポロジカル磁電効果を可能にする役割を果たすか？
• RQ5 キャリア密度の制御により、系は量子化された異常ホール状態にチューニング可能か？

主な発見

• 磁気輸送測定により、Cr-doped BiₓSb₂₋ₓTe₃ 薄膜における強磁性がキャリアの極性および密度に依存せず安定であることが確認された。
• 異常ホール角が 0.2 という非常に大きな値に達し、強いスピン・オービット結合および非自明なトポロジーを示している。
• ゼロ磁場下のホール抵抗が、量子抵抗の 1/4（h/e²）に近づくことから、量子化された異常ホール効果の特徴である。
• キャリア密度を低下させると、異常ホール効果が顕著に増強され、トポロジカル起源である可能性を示唆している。
• 観測された輸送挙動から、系はまだ完全に量子化されていないものの、量子化された異常ホール状態に近づいていることが示唆された。
• 本結果は、トポロジカル絶縁体における量子化された異常ホール効果およびその他の特異な磁電効果を実現するための実現可能な道筋を示している。