[論文レビュー] Half-Magnetic Topological Insulator

Ruie Lu, Hongyi Sun+22 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 61被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ストイキオメトリックなMnBi8Te13が、内在的MnBi2Te4-(Bi2Te3)3ヘテロ構造を有する半磁性トポロジカル絶縁体であることを特定し、磁化がMnBi2Te4表面にのみ存在し、約28 meVの大型ディラックギャップを誘導する。このギャップはCurie温度で閉じる。角度分解光電子分光法（ARPES）により、ギャップの温度依存的閉じが確認され、磁性トポロジカル材料における磁化誘導トポロジカル表面ギャップの最初の分光的証明が得られ、アキソン電磁力学の特徴である半量子化表面異常ホール効果の実現が可能となる。

ABSTRACT

Topological magnets are a new family of quantum materials providing great potential to realize emergent phenomena, such as quantum anomalous Hall effect and axion-insulator state. Here we present our discovery that stoichiometric ferromagnet MnBi8Te13 with natural heterostructure MnBi2Te4-(Bi2Te3)3 is an unprecedented half-magnetic topological insulator, with the magnetization existing at the MnBi2Te4 surface but not at the opposite surface terminated by triple Bi2Te3 layers. Our angle-resolved photoemission spectroscopy measurements unveil a massive Dirac gap at the MnBi2Te4 surface, and gapless Dirac cone on the other side. Remarkably, the Dirac gap (~28 meV) at MnBi2Te4 surface decreases monotonically with increasing temperature and closes right at the Curie temperature, thereby representing the first smoking-gun spectroscopic evidence of magnetization-induced topological surface gap among all known magnetic topological materials. We further demonstrate theoretically that the half-magnetic topological insulator is desirable to realize the half-quantized surface anomalous Hall effect, which serves as a direct proof of the general concept of axion electrodynamics in condensed matter systems.

研究の動機と目的

• トポロジカル絶縁体および強磁性を併せ持つ新しい量子材料の同定と特性評価を目的とする。
• MnBi8Te13における磁化の空間的分布とその表面電子構造への影響を特定することを目的とする。
• 磁性トポロジカル材料における磁化誘導トポロジカル表面ギャップの分光的証明を提供することを目的とする。
• アキソン電磁力学の特徴である半量子化表面異常ホール効果が、凝縮系においてどのように顕在化するかを実証することを目的とする。
• 内在的でストイキオメトリックな材料において、アキソン絶縁体状態および量子異常ホール効果を実現する基盤を確立することを目的とする。

提案手法

• MnBi2Te4およびBi2Te3終端表面における電子バンド構造と表面ギャップをプローブするための角度分解光電子分光法（ARPES）の適用。
• 内在的MnBi2Te4-(Bi2Te3)3ヘテロ構造を有するストイキオメトリックなMnBi8Te13の合成により、内在的磁性およびトポロジカル特性を保証。
• 温度依存ARPES測定を実施し、ディラックギャップの温度依存的変化およびCurie温度におけるギャップの閉じを追跡。
• 半磁性トポロジカル絶縁体状態における半量子化表面異常ホール効果の理論的予測を実施。
• 表面終端層の制御を用いた磁性およびトポロジカル表面状態の分析により、MnBi2Te4表面およびBi2Te3表面を分離。
• 高分解能ARPESを用いて、約28 meVの大型ディラックギャップと反対側表面におけるギャップレスディラックコーンを解像。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MnBi8Te13における磁化は、MnBi2Te4表面に選択的に局在し、Bi2Te3終端表面には存在しないか？
• RQ2 MnBi2Te4表面におけるディラックギャップは磁化によって誘導され、Curie温度で閉じるか？
• RQ3 半磁性トポロジカル絶縁体状態は、アキソン電磁力学によって予測される半量子化表面異常ホール効果を支持するか？
• RQ4 内在的ヘテロ構造形成が、半磁性トポロジカル絶縁体状態の安定化に果たす役割は何か？
• RQ5 表面ギャップの温度依存的変化は、磁性駆動トポロジカル相転移の証拠としてどのように示されるか？

主な発見

• 角度分解光電子分光法により測定されたMnBi2Te4表面におけるディラックギャップは約28 meVである。
• ディラックギャップは温度上昇に伴い単調に減少し、Curie温度で正確に閉じる。これは、磁化誘導トポロジカルギャップの直接的分光的証明である。
• 反対側のBi2Te3終端表面にはギャップレスディラックコーンが観測され、トポロジカル絶縁体の半磁性性が確認された。
• 磁化は空間的に非対称であり、磁性秩序はMnBi2Te4表面に限定され、Bi2Te3終端表面には存在しない。
• 理論的解析により、半磁性トポロジカル絶縁体状態が半量子化表面異常ホール効果を支持することが確認され、これは凝縮系におけるアキソン電磁力学の直接的特徴である。
• 本研究により、温度制御によるトポロジカルギャップのチューニングが可能な、最初の内在的ストイキオメトリックな材料としてMnBi8Te13の同定がなされた。