[論文レビュー] Giant nonlocal edge conduction in the axion insulator state of MnBi2Te4

Yaoxin Li, Chang Liu+8 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2021

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、時間反転対称性によって保護されるヘリカルヘッジ電流に起因する、数ナノメートル厚のMnBi2Te4フラクタルにおいて、アキソン絶縁体状態に特有の巨大非局所的エッジ伝導が実証された。非局所信号は奇数セプチプレート層デバイスで強く抑制され、理論的モデリングによって支持されるように、接合部における表面間のエッジチャネルに起因するトポロジカルな起源を確認した。

ABSTRACT

The recently discovered antiferromagnetic (AFM) topological insulator (TI) MnBi2Te4 represents a versatile material platform for exploring exotic topological quantum phenomena in nanoscale devices. It has been proposed that even-septuple-layer (even-SL) MnBi2Te4 can host helical hinge currents with unique nonlocal behavior, but experimental confirmation is still lacking. In this work, we report transport studies of exfoliated MnBi2Te4 flakes with varied thicknesses down to the few-nanometer regime. We observe giant nonlocal transport signals in even-SL devices when the system is in the axion insulator state but vanishingly small nonlocal signal in the odd-SL devices at the same magnetic field range. In conjunction with theoretical calculations, we demonstrate that the nonlocal transport is via the helical edge currents mainly distributed at the hinges between the side and top/bottom surfaces. The helical edge currents in the axion insulator state may find unique applications in topological quantum devices.

研究の動機と目的

• MnBi2Te4のアキソン絶縁体状態におけるヘリカルヘッジ電流の存在を実験的に検証すること。
• 数ナノメートル領域までにまで及ぶ剥離されたMnBi2Te4フラクタルにおける厚さ依存性の輸送特性を調査すること。
• トポロジカル的エッジ状態と、バルクまたは自明的表面状態からの非局所的輸送寄与を区別すること。
• アキソン絶縁体相と量子化された非局所的エッジ伝導との直接的な関連を確立すること。

提案手法

• 数セプチプレート層にまで制御された厚さのMnBi2Te4フラクタルの剥離。
• 磁場を印加した状態で、四端子配置を用いた輸送測定により非局所的電圧応答を測定。
• 磁場を適用して、量子化された電磁気的応答を特徴とするアキソン絶縁体状態にシステムをチューニング。
• 偶数および奇数セプチプレート層デバイス間の非局所信号を比較し、トポロジカル寄与を分離。
• 上面・下面および側面間の接合部におけるエッジ状態の分布および電流の流れを理論的モデリング。
• 非局所抵抗を磁場およびサンプル厚さの関数として分析し、トポロジカルな特徴を同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MnBi2Te4のアキソン絶縁体状態において、非局所的エッジ伝導が実験的に観測可能か？
• RQ2 MnBi2Te4における非局所的輸送信号は、セプチプレート層の数にどのように依存するか？
• RQ3 非局所信号の空間的起源は何か。具体的には、電流がヘッジに局在化しているか？
• RQ4 理論で予測されているように、奇数セプチプレート層デバイスで非局所信号が抑制されるか？
• RQ5 ヘリカルエッジ状態は、観測された非局所的輸送にどの程度寄与しているか？

主な発見

• アキソン絶縁体状態に置かれた偶数セプチプレート層MnBi2Te4フラクタルでは、巨大な非局所的輸送信号が観測された。
• 同じ磁場条件下で、奇数セプチプレート層デバイスでは非局所信号が消滅し、トポロジカルな起源を示している。
• 非局所応答は、上面・下面および側面間の接合部に局在化したヘリカルエッジ電流に起因するとされる。
• 理論的計算により、エッジ電流がスピン極化されており、時間反転対称性によって保護されていることが確認された。
• 観測された非局所伝導度は、自明的またはバルク寄与から予想される値よりも数個のオーダー大きく、顕著であった。
• 本結果は、MnBi2Te4のアキソン絶縁体相におけるヘリカルヘッジ電流の存在を直接的な実験的証明とした。