[論文レビュー] Gate-tunable Intrinsic Anomalous Hall Effect in Epitaxial MnBi2Te4 Films

Shanshan Liu, Jie-Xiang Yu+12 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 52被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、高誘電率のSrTiO3バックゲートを用いて、外延的 MnBi2Te4薄膜におけるゲートで制御可能な内在的アノマラスホール効果（AHE）を実証した。これは、スピン少数性表面状態からの競合するベリー曲率とスピン多数性バルクバンドからのベリー曲率の競合によって駆動され、第一原理計算により確認された。~3セプチプレート層薄膜では、電荷キャリアの符号が負から正に反転する。

ABSTRACT

Anomalous Hall effect (AHE) is an important transport signature revealing topological properties of magnetic materials and their spin textures. Recently, antiferromagnetic MnBi2Te4 has been demonstrated to be an intrinsic magnetic topological insulator that exhibits quantum AHE in exfoliated nanoflakes. However, its complicated AHE behaviors may offer an opportunity for the unexplored correlation between magnetism and band structure. Here, we show the Berry curvature dominated intrinsic AHE in wafer-scale MnBi2Te4 thin films. By utilizing a high-dielectric SrTiO3 as the back-gate, we unveil an ambipolar conduction and electron-hole carrier (n-p) transition in ~7 septuple layer MnBi2Te4. A quadratic relation between the saturated AHE resistance and longitudinal resistance suggests its intrinsic AHE mechanism. For ~3 septuple layer MnBi2Te4, however, the AHE reverses its sign from pristine negative to positive under the electric-gating. The first-principles calculations demonstrate that such behavior is due to the competing Berry curvature between polarized spin-minority-dominated surface states and spin-majority-dominated inner-bands. Our results shed light on the physical mechanism of the gate-tunable intrinsic AHE in MnBi2Te4 thin films and provide a feasible approach to engineering its AHE.

研究の動機と目的

• ウェーハスケールのエピタキシャル MnBi2Te4薄膜における内在的アノマラスホール効果（AHE）を調査すること。
• 反強磁性トポロジカル絶縁体における磁性、バンド構造、およびAHEの相関関係を明らかにすること。
• 少数層 MnBi2Te4 におけるAHEの符号と大きさを電気的ゲート制御で実現すること。
• 第一原理計算を用いて、ゲートで制御可能なAHEの微視的起源を解明すること。

提案手法

• ~3〜~7セプチプレート層のエピタキシャル MnBi2Te4薄膜を単結晶基板上に成長させた。
• 高誘電率のSrTiO3基板をバックゲートとして用い、キャリア密度を静電的に調節した。
• 輸送測定を実施し、縦抵抗およびホール抵抗を抽出することで、アンビポーラ伝導およびAHEの挙動を明らかにした。
• 飽和AHE抵抗が縦抵抗に対して2次関数的依存することにより、内在的AHEメカニズムが確認された。
• スピン少数性表面状態とスピン多数性バルクバンドがもたらすベリー曲率への寄与を分析するために、第一原理計算を用いた。
• 理論的モデリングにより、ゲートを施した~3 SL薄膜におけるAHE符号反転のメカニズムを説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静電的ゲートが MnBi2Te4薄膜における内在的アノマラスホール効果にどのように影響を与えるか？
• RQ2 少数層 MnBi2Te4 におけるゲートで制御可能なAHE符号反転の起源は何か？
• RQ3 表面状態とバルク状態からのベリー曲率の競合寄与が、MnBi2Te4におけるAHEにどのように影響を与えるか？
• RQ4 MnBi2Te4薄膜におけるAHEがどの程度内在的メカニズムに従うか？
• RQ5 キャリア密度の制御により、MnBi2Te4におけるAHEを電気的にチューニングできるか？

主な発見

• バックゲートを施した~7セプチプレート層 MnBi2Te4薄膜では、アンビポーラ伝導および電子-ホール（n-p）遷移が観察された。
• 飽和AHE抵抗が縦抵抗に対して2次関数的依存することにより、内在的AHEメカニズムが裏付けられた。
• ~3セプチプレート層薄膜では、電気的ゲートを施すことでAHEの符号が負から正に反転した。
• 第一原理計算により、スピン少数性支配の表面状態とスピン多数性支配の内層バンドからの競合するベリー曲率寄与が明らかになった。
• AHEの符号反転は、キャリアドーピングによるこれらの競合するベリー曲率寄与の優位性の可変性に起因する。
• 本結果は、内在的磁性トポロジカル絶縁体におけるAHEを電気的に設計可能であるという道筋を示した。