[論文レビュー] Direct probe of ferromagnetic proximity effect at the interface in Fe/SnTe heterostructure by polarized neutron reflectometry

Ryota Akiyama, Ryo Ishikawa+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、偏光中性子反射率（PNR）を用いて、Fe/SnTeヘテロインターフェースにおける強磁性近接効果（MPE）を直接測定し、磁性が室温においても約3 nmの深さまでトポロジカル結晶絶縁体SnTeに浸透することを示した。結果は、磁性ドーピングに起因する不純物を避けることで、MPEによる界面磁性が誘発され、量子異常ホール効果やアキソン絶縁体状態に不可欠なトポロジカル表面状態が保持されることを確認した。

ABSTRACT

Introducing magnetic order into a topological insulator (TI) system has been attracting much attention with an expectation of realizing exotic phenomena such as quantum anomalous Hall effect (QAHE) or axion insulator states. The magnetic proximity effect (MPE) is one of the promising schemes to induce the magnetic order on the surface of TI without introducing disorder accompanied by doping magnetic impurities in TI. In this study, we investigate the MPE at the interface of a heterostructure consisting of a topological crystalline insulator (TCI) SnTe and Fe by employing polarized neutron reflectometry. The ferromagnetic order penetrates $\sim$ 3 nm deep into the SnTe layer from the interface with Fe, which persists up to room temperature. Our findings demonstrate that the interfacial magnetism is induced by the MPE on the surface of TCI preserving the coherent topological states, which is essential for the bulk-edge correspondence, without introducing disorder arising from a random distribution magnetic impurities. This opens up a way for realizing next generation electronics, spintronics, and quantum computational devices by making use of the characteristics of TCI.

研究の動機と目的

• 強磁性金属とトポロジカル結晶絶縁体（TCI）を組み合わせたFe/SnTeヘテロ構造における磁性近接効果（MPE）を調査すること。
• MPEによって誘起される磁性の深さと持続性を特定し、特にそれがトポロジカル表面状態を保持できるかを評価すること。
• 磁性ドーピングに起因する不純物を避けるためにヘテロ構造を用いることで、トポロジカル量子現象に不可欠なクリアな界面磁性を実現すること。
• 量子異常ホール効果（QAHE）やTCI系におけるアキソン絶縁体状態に基づく無損失スピントロニクスデバイスを実現するための基盤を構築すること。

提案手法

• 最適化された温度で分子線エpitaxy（MBE）を用いて、CdTe/GaAs(001)基板上に単結晶的Fe/SnTeヘテロ構造を成長させ、格子整合性を確保するとともに、相互拡散を防ぐ。
• エpitaxial成長およびヘテロ構造の構造的品質を確認するため、反射高エネルギー電子線回折（RHEED）およびX線回折（XRD）を用いる。
• エpitaxial関係およびFeとSnTe層間の急峻な界面を検証するため、断層透過電子顕微鏡（TEM）および選択領域電子回折（TED）を用いる。
• 脈動的で高偏光度（98.5％以上）の中性子ビームを用いたJ-PARC MLF BL17 SHARAKUビームラインにおける偏光中性子反射率（PNR）を実施し、深さ方向に分解された磁化プロファイルを測定する。
• 最小二乗法フィッティングを用いたデータ解析（Motofitプログラム）を行い、PNRデータとX線反射率（XRR）を併用して、構造的および磁気的プロファイルを分離する。
• 中性子スピンを整えるために、サンプル面に平行な外部磁場（10 kOe）を印加し、磁気散乱長さ密度を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Feから起因する強磁性秩序が、磁性近接効果によってSnTe層へどの程度の深さまで浸透するか？
• RQ2 SnTeに誘起された磁性が室温まで持続するか、強固な界面結合を示唆するか？
• RQ3 磁性ドーピングに起因する不純物を導入せずに、磁性近接効果を確立できるか、SnTeのトポロジカル性質が保たれるか？
• RQ4 SnTe内の磁化プロファイルは、混合や第二相が存在しない明確な急峻な界面に一致するか？
• RQ5 従来のZ2トポロジカル絶縁体（例：Bi2Se3）と比較して、TCIのSnTeにおけるMPEの深さはどのように異なるか？

主な発見

• 偏光中性子反射率による直接測定により、強磁性近接効果によってFe/SnTe界面から約3 nmの深さまで強磁性秩序がSnTe層に浸透していることが判明した。
• 誘起された磁性が室温まで持続することから、強固な界面結合が存在し、室温運用可能なトポロジカルスピントロニクスデバイスへの応用が可能であることが示された。
• 高分解能TEMおよびTED解析により、FeとSnTeの界面は急峻であり、混合や拡散は観察されなかった。
• 磁化プロファイルは、2つのガウスピークの重ね合わせによって良好に記述されており、明確に定義された界面磁性層であることが示された。
• SnTeにおける近接効果の深さ（約3 nm）は、従来のZ2トポロジカル絶縁体であるBi2Se3と同等またはそれ以上であり、TCIにおけるMPEの強化が示唆された。
• 結果は、SnTeにおけるトポロジカル表面状態が、近接効果に起因する磁性によっても破壊されず、QAHEやアキソン絶縁体状態に不可欠なバルク-エッジ対応が保持されることを確認した。