[論文レビュー] Delicate Ferromagnetism in MnBi$_6$Te$_{10}$

Chenhui Yan, Yanglin Zhu+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 36被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、MnBi₆Te₁₀における不純物媒介型強磁性を示し、Mn空孔とMn移動が、ディラック点に15 meVのギャップを有する調整可能な強磁性基底状態を安定化させることを明らかにした。ARPES、TEM、磁化測定を用いて、Curie温度13 Kを特定し、強磁性相では対称性が破れたギャップを有するトポロジカルな表面状態が確認された一方、反強磁性相はあらゆる終末面においてギャップなしで、ギャップなしの状態を示した。

ABSTRACT

Tailoring magnetic orders in topological insulators is critical to the realization of topological quantum phenomena. An outstanding challenge is to find a material where atomic defects lead to tunable magnetic orders while maintaining a nontrivial topology. Here, by combining magnetization measurements, angle-resolved photoemission spectroscopy, and transmission electron microscopy, we reveal disorder-enabled, tunable magnetic ground states in MnBi$_6$Te$_{10}$. In the ferromagnetic phase, an energy gap of 15 meV is resolved at the Dirac point on the MnBi$_2$Te$_4$ termination. In contrast, antiferromagnetic MnBi$_6$Te$_{10}$ exhibits gapless topological surface states on all terminations. Transmission electron microscopy and magnetization measurements reveal substantial Mn vacancies and Mn migration in ferromagnetic MnBi$_6$Te$_{10}$. We provide a conceptual framework where a cooperative interplay of these defects drives a delicate change of overall magnetic ground state energies, and leads to tunable magnetic topological orders. Our work provides a clear pathway for nanoscale defect-engineering towards the realization of topological quantum phases.

研究の動機と目的

• MnBi₂Te₄由来の材料において、非自明なトポロジーを維持する強磁性トポロジカル絶縁体相を特定・特徴づけること。
• 原子スケールの欠陥、特にMn空孔とMn移動が、層間磁気的相互作用をどのように調整するかを調査すること。
• 不純物がスピン軌道結合やトポロジカル保護を損なわせることなく、強磁性基底状態を安定化させられるかを検証すること。
• 欠陥工学と調整可能な磁気的トポロジカル相との直接的な関連を、MnBi₂Te₄由来材料において確立すること。

提案手法

• MnBi₆Te₁₀の異なる表面終末面における電子バンド構造をマップするために、高分解能レーザーを用いた角度分解光電子分光法（ARPES）を実施した。
• Mn空孔と層間におけるMn移動を直接可視化するために、アニュラーダークフィールド（ADF-STEM）イメージングを用いた透過電子顕微鏡（TEM）を実施した。
• Curie温度（T_C）と磁気的相転移を特定するために、ゼロ場冷却（ZFC）および磁場冷却（FC）磁化率を測定した。
• c軸およびab面方向の磁場下での等温磁化曲線を取得し、強磁性秩序と異方性を確認した。
• FMおよびAFM相のMnBi₆Te₁₀サンプルの構造的完全性と相純度を確認するために、X線回折（XRD）を用いた。
• Mn空孔とMn移動の協同的相互作用が、層間反強磁性結合を低下させることで、調整可能な磁気的トポロジカル相を説明する概念的枠組みを提案した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MnBi₆Te₁₀における原子的欠陥が、非自明なトポロジーを維持したまま安定な強磁性基底状態を誘発できるか？
• RQ2 Mn空孔とMn移動は、MnBi₆Te₁₀における層間磁気的結合をどのように変化させるか？
• RQ3 ARPESによる確認が得られたように、MnBi₆Te₁₀の強磁性相はディラック点に対称性が破れたエネルギーギャップを有するか？
• RQ4 さまざまな表面終末面において、強磁性と反強磁性のMnBi₆Te₁₀の磁気的および電子的性質はどのように異なるか？
• RQ5 欠陥工学によって、MnBi₆Te₁₀の磁気的転移温度（T_C）を調整可能か？

主な発見

• MnBi₆Te₁₀における強磁性基底状態は、13 KのCurie温度で安定化しており、これはMnBi₂Te₄由来化合物の中で報告された最高の値である。
• ARPES測定により、強磁性相におけるMnBi₂Te₄（MBT）終末面でディラック点に15 meVのエネルギーギャップが観測された。このギャップはCurie温度と一致した。
• これに対して、反強磁性相は、あらゆる表面終末面において測定可能なエネルギーギャップを示さず、ギャップなしのトポロジカル表面状態が確認された。
• ADF-STEMイメージングにより、強磁性相においてMBT層内のMn空孔と、MBTからBi₂Te₃層へのMn移動が直接可視化された。
• 磁化率測定では、反強磁性相において10.2 Kで鋭いΛ字型のピークが観測され、長距離反強磁性転移を示した。
• Mn空孔とMn移動の協同的相互作用が、層間反強磁性結合を低減させることで、調整可能な磁気的トポロジカル相を説明する概念的枠組みが提案された。