[論文レビュー] Growth and characterization of the magnetic topological insulator candidate Mn$_2$Sb$_2$Te$_5$

Ankush Saxena, V. P. S. Awana|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2023

Topological Materials and PhenomenaPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、MnSb₂Te₄族から派生する新しい磁性トポロジカル絶縁体（MTI）候補であるMn₂Sb₂Te₅の成功した成長と包括的同定が報告されている。この材料は、約20 K未塔で抵抗率の上昇を示す金属的輸送特性、低温度で負の磁気抵抗、および約20 Kと約10 Kで見られる反強磁性に類似した転移を示し、内在的な磁性秩序とトポロジカルな表面状態を有する磁性トポロジカル絶縁体としての可能性が裏付けられている。

ABSTRACT

We report a new member of topological insulator (TI) family i.e., Mn$_2$Sb$_2$Te$_5$, which belongs to MnSb$_2$Te$_4$ family and is a sister compound of Mn$_2$Bi$_2$Te$_5$. An antiferromagnetic layer of (MnTe)$_2$ has been inserted between quintuple layers of Sb$_2$Te$_3$. The crystal structure and chemical composition of as grown Mn$_2$Sb$_2$Te$_5$ crystal is experimentally visualized by single crystal XRD (SCXRD) and field emission scanning electron microscopy (FESEM). The valence states of individual constituents i.e., Mn, Sb and Te are ascertained through X ray photo electron spectroscopy (XPS). Different vibrational modes of Mn$_2$Sb$_2$Te$_5$ are elucidated through Raman spectroscopy. Temperature-dependent resistivity of Mn$_2$Sb$_2$Te$_5$ resulted in metallic behaviour of the same with an up-turn at below around 20K. Further, the magneto-transport R(T) vs H of the same exhibited negative magneto-resistance (MR) at low temperatures below 20K and small positive at higher temperatures. The low Temperature -ve MR starts decreasing at higher fields. The magnetic moment as a function of temperature at 100Oe and 1kOe showed AFM like down turn cusps at around 20K and 10K. The isothermal magnetization (MH) showed AFM like loops with some embedded FM/PM domains at 5K and purely paramagnetic (PM) like at 100K. The studied Mn$_2$Sb$_2$Te$_5$ clearly exhibited the characteristics of a magnetic TI (MTI).

研究の動機と目的

• トポロジカル絶縁体族の新規メンバー、Mn₂Sb₂Te₅の合成と特性評価を行い、磁性トポロジカル絶縁体（MTI）候補としての可能性を検討すること。
• 高度な特性評価技術を用いて、Mn₂Sb₂Te₅の結晶構造、化学組成および電子状態を調査すること。
• Mn₂Sb₂Te₅の磁気的および輸送特性を特定し、トポロジカルに保護された表面状態を有する可能性を評価すること。
• 温度依存抵抗率、磁気輸送および磁化挙動の分析を通じて、Mn₂Sb₂Te₅における磁性とトポロジーの相関を解明すること。

提案手法

• Mn₂Sb₂Te₅の結晶構造および単位格子定数を決定するために、単結晶X線回折（SCXRD）が用いられた。
• 表面の形態および結晶品質を分析するために、場発射型走査電子顕微鏡（FESEM）が用いられた。
• 化合物中のMn、Sb、Teの酸化状態を確認するために、X線光電子分光法（XPS）が適用された。
• Mn₂Sb₂Te₅格子内の振動モードの特定と割り当てに、ラマン分光法が用いられた。
• 電子的輸送特性を分析するために、温度依存抵抗率および磁気抵抗率の測定が実施された。
• 磁性秩序および相転移の評価のために、温度および磁場依存の磁化測定が実施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mn₂Sb₂Te₅は、内在的な磁性秩序を有するトポロジカル絶縁体としての構造的および電子的特徴を示すか？
• RQ2 特に低温度領域において、Mn₂Sb₂Te₅の電子的輸送特性の性質は何か？
• RQ3 Mn₂Sb₂Te₅は磁性秩序を示すか。その場合、どのようなタイプ（反強磁性、強磁性、常磁性）であり、転移温度は何か？
• RQ4 Mn₂Sb₂Te₅の磁気抵抗は温度および磁場の変化にどのように応答するか。これは電子構造にどのような示唆をもたらすか？
• RQ5 観察された磁気的および輸送的特徴が、Mn₂Sb₂Te₅を磁性トポロジカル絶縁体候補として支持する程度はどの程度か？

主な発見

• Mn₂Sb₂Te₅は、約20 K未塔で抵抗率の上昇を示す金属的輸送特性を示し、電子相関効果またはKondo様効果の可能性を示唆している。
• 20 K未塔の低温度領域で負の磁気抵抗（MR）が観測され、高磁場領域で減少する傾向を示しており、スピン依存輸送メカニズムの可能性がある。
• 100 Oeおよび1 kOeでそれぞれ約20 Kおよび約10 Kで、温度依存磁化測定において反強磁性に類似した転移が観察された。
• 5 Kでの等温磁化（M-H）ループは、反強磁性秩序と埋め込まれた強磁性または常磁性領域を示す特徴を示している。
• 100 Kでは磁化が完全に常磁性に類似した挙動を示し、高温域では長距離磁性秩序が存在しないことが確認された。
• 構造的・電子的・磁気的特性の統合的同定により、Mn₂Sb₂Te₅が内在的な磁性秩序とトポロジカルな表面状態を有する磁性トポロジカル絶縁体候補として極めて有望であることが確認された。