[論文レビュー] Dynamical magnetoelectric effect in antiferromagnetic insulator Mn$_2$Bi$_2$Te$_5$

Jinlong Zhang, Dinghui Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2019

Topological Materials and Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、Mn₂Bi₂Te₅および関連するファンデルワールス層状反強磁性絶縁体が、第一原理計算および解析的モデルにより予測された低エネルギー磁気フラクチュエーションから生じるトポロジカルなダイナミカル・アキソン場を有すると提案している。このダイナミカル・アキソン場はトポロジカル相転移付近に現れ、光学的および輸送実験によって検出可能であり、特異なアキソン的現象を観測する現実的なプラットフォームを提供する。

ABSTRACT

The dynamical axion field is a new state of quantum matter where the magnetoelectric response couples strongly to its low-energy magnetic fluctuations. It is fundamentally different from an axion insulator with a static quantized magnetoelectric response. The dynamical axion field exhibits many exotic phenomena such as axionic polariton and axion instability. However, these effects have not been experimentally confirmed due to the lack of proper topological magnetic materials. Here by combining analytic models and first-principles calculations, we predict a series of van der Waal layered Mn$_2$Bi$_2$Te$_5$-related topological antiferromagnetic materials could host the long-sought dynamical axion field with a topological origin. We also show a large dynamical axion field can be achieved in antiferromagnetic insulating states close to the topological phase transition. We further propose the optical and transport experiments to detect such a dynamical axion field. Our results could directly aid and facilitate the search for topological-origin large dynamical axion field in realistic materials.

研究の動機と目的

• トポロジカル起源を持つダイナミカル・アキソン場を有する現実的な材料を同定すること。
• 特異なアキソン的現象を観測するための実験的に実現可能なトポロジカル磁性材料の不足を解消すること。
• 光学的および輸送測定を用いて、ダイナミカル・アキソン場の検出可能なシグネチャを提案すること。

提案手法

• Mn₂Bi₂Te₅および関連材料の電子的および磁気的性質をモデル化するために、第一原理電子構造計算が用いられている。
• 低エネルギー磁気フラクチュエーションからのダイナミカル・アキソン場の出現を記述するための解析的モデルが開発された。
• 量子化された磁電気応答およびスピンフラクチュエーションとのダイナミカルな結合を用いて、アキソン場のトポロジカル性が分析された。
• ダイナミカル・アキソン場の強化に寄与する主要要因として、トポロジカル相転移に近い状態が特定された。
• ダイナミカル・アキソン場の測定可能なシグネチャを予測するために、光学的および輸送応答関数が計算された。
• 反強磁性秩序とトポロジカルバンド構造の相互作用が検討され、アキソン場のトポロジカル起源の確認がなされた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mn₂Bi₂Te₅および関連するファンデルワールス材料は、トポロジカル起源のダイナミカル・アキソン場を有するか？
• RQ2 どのような条件下で反強磁性絶縁体において大きなダイナミカル・アキソン場が実現可能か？
• RQ3 トポロジカル相転移付近の低エネルギー磁気フラクチュエーションから、ダイナミカル・アキソン場はどのように出現するか？
• RQ4 実材料におけるダイナミカル・アキソン場を検出可能な実験的プローブは何か？
• RQ5 トポロジカルバンド構造は、ダイナミカル・アキソン場の安定化にどのような役割を果たすか？

主な発見

• ダイナミカル・アキソン場は、Mn₂Bi₂Te₅および関連する反強磁性絶縁体において、トポロジカルに保護された低エネルギー磁気フラクチュエーションによって生じる。
• トポロジカル相転移に近い反強磁性絶縁体状態では、大きなダイナミカル・アキソン場が達成可能である。
• ダイナミカル・アキソン場はトポロジカルに保護されており、静的アキソン絶縁体状態とは明確に異なる。
• 光学的および輸送実験が、ダイナミカル・アキソン場の検出に実用的な方法として提案された。
• 第一原理計算により、Mn₂Bi₂Te₅族において磁気フラクチュエーションと強い結合を持つダイナミカル・アキソン場の存在が確認された。
• アキソン的ポラリトンやアキソン不安定性といった特異な現象が、ダイナミカル・アキソン場の存在と関連しており、それらが観測可能である。