[論文レビュー] Dimensional Crossover Induced Topological Hall Effect in a Magnetic Topological Insulator

Chang Liu, Yunyi Zang+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2017

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、MnドープBi2Te3薄膜におけるトポロジカルホール効果（THE）が、4クインティルプル層（QL）の厚さで次元的クロスオーバーに伴い発現することを示している。表面状態のカップリングが磁気スカイム粒子を安定化させることにより、そのようなTHEが生じる。3 QLではTHEが消失するため、超薄膜トポロジカル絶縁体における相互表面磁気カップリングによって駆動される厚さ依存のトポロジカル遷移が顕在化していることが示唆される。

ABSTRACT

We report transport studies of Mn-doped Bi2Te3 topological insulator (TI) films with accurately controlled thickness grown by molecular beam epitaxy. We find that films thicker than 5 quintuple-layer (QL) exhibit the usual anomalous Hall effect for magnetic TIs. When the thickness is reduced to 4 QL, however, characteristic features associated with the topological Hall effect (THE) emerge. More surprisingly, the THE vanishes again when the film thickness is further reduced to 3 QL. Theoretical calculations demonstrate that the coupling between the top and bottom surface states at the dimensional crossover regime stabilizes the magnetic skyrmion structure that is responsible for the THE.

研究の動機と目的

• 分子線エpitaxy（MBE）法で成長させたMnドープBi2Te3トポロジカル絶縁体薄膜における厚さ依存の電子的および磁気的応答を調査すること。
• 超薄膜におけるトポロジカルホール効果（THE）の出現を特定し、次元的クロスオーバーの文脈でのその起源を理解すること。
• THEを引き起こす磁気的スカイム粒子状スピン構造を安定化させる表面状態カップリングの役割を調査すること。
• 磁気的トポロジカル絶縁体における異常ホール効果とトポロジカルホール効果の厚さ依存的変化を明確にすること。

提案手法

• 原子層レベルの厚さ制御を可能にする分子線エpitaxy（MBE）を用いて、3〜5クインティルプル層（QL）の範囲でMnドープBi2Te3薄膜を成長させた。
• ホール抵抗率の測定を含む輸送測定により、さまざまな厚さにおける異常ホール効果（AHE）およびトポロジカルホール効果（THE）の寄与を抽出した。
• 4 QL領域における上部および下部表面状態間のカップリングを分析する理論的モデルを用い、それがスカイム粒子形成と関連することを明らかにした。
• 理論的計算により、相互表面交換カップリングがキラルな磁気的スピン構造を安定化させ、その結果として観測されたTHEが生じることを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MnドープBi2Te3トポロジカル絶縁体薄膜におけるホール効果の厚さ依存性は何か？
• RQ2 なぜTHEは4 QLでしか出現せず、3 QL や 5 QL では現れないのか？
• RQ3 2次元表面状態間の次元的クロスオーバーが、超薄膜トポロジカル絶縁体における磁気的スピン構造形成にどのように影響するか？
• RQ4 相互表面カップリングが、THEを引き起こすスカイム粒子的スピン構造を安定化させる役割を果たすか？
• RQ5 観測されたTHEは、従来のAHEとは異なり、トポロジカル起源に起因するものと特定できるか？

主な発見

• 4-QLのMnドープBi2Te3薄膜では、トポロジカルホール効果（THE）が顕著に観測され、非反平行スピン構造の存在を示唆している。
• 3-QL薄膜ではTHEが消失するため、トポロジカルスピン構造の出現に臨界的厚さ閾値が存在することが示された。
• 5-QL薄膜では、従来の異常ホール効果（AHE）のみが観測され、厚い薄膜ではトポロジカルホール応答が存在しないことが確認された。
• 理論的分析により、4 QL領域における相互表面カップリングが磁気的スカイム粒子を安定化させ、それが観測されたTHEの原因であることが確認された。
• 4 QLにおける次元的クロスオーバーは、表面状態のハイブリダイゼーション強化とキラルスピン秩序の発現に起因し、非自明なTHEへの遷移を誘発する。