[論文レビュー] Half-quantized anomalous Hall effect in magnetic axion insulator MnBi$_2$Te$_4$/(Bi$_2$Te$_3$)$_n$

Mingqiang Gu, Jiayu Li+5 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 31被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、磁化と層間 hopping を調整することにより、MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)ₙ ハイブリッド構造が表面で半量子化された異常ホール効果を示すトポロジカルaxion絶縁体相を実現可能であることを示している。第一原理計算およびモデルハミルトニアン計算により、三次元トポロジカル位相図が明らかとなり、表面での異常ホール伝導度が e²/2h に局在化していることが判明し、長年探されてきた半量子化された異常ホール効果を観測する現実的なプラットフォームが得られた。

ABSTRACT

The rising of topological materials MnBi$_2$Te$_4$/(Bi$_2$Te$_3$)$_n$ with built-in magnetization provides a great platform for the realization of long-sought axion insulators with time-reversal breaking. As the direct evidence of the quantized bulk magnetoelectric coupling, half-quantized anomalous Hall effect at the gapped surface are predicted in axion insulators based on simplified models, yet to be realized. Using both model Hamiltonian and first-principles calculations, we demonstrate that by tailoring the magnetization and interlayer electron hopping, a rich three-dimensional topological phase diagram can be established based on MnBi$_2$Te$_4$/(Bi$_2$Te$_3$)$_n$ systems. It includes three types of topologically distinct insulating phases bridged by a Weyl semimetal phase. Among them, we find that the surface anomalous Hall conductivity in the axion-insulator phase is a well-localized quantity either saturated at or oscillating around $e^2/2h$, depending on the magnetic homogeneity. With the discussion of the experimental prerequisites and proposals, our study is significant step forward towards the realization of half-quantized surface anomalous Hall effect in realistic material systems.

研究の動機と目的

• 磁化と層間 hopping を調整することで、MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)ₙ ハイブリッド構造における三次元トポロジカル位相図を確立すること。
• axion絶縁体相が表面異常ホール伝導度が明確に局在化する条件下で出現する条件を同定すること。
• 現実的な物質系において半量子化された異常ホール効果を実現するための理論的枠組みを提供すること。
• 磁性の均一性と層間結合の効果を分析することで、簡略化モデルと実験的実現可能性のギャップを埋めること。
• MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)ₙ において半量子化された異常ホール効果を観測するための実験的前提条件を提案すること。

提案手法

• 磁化と層間 hopping を調整可能なモデルハミルトニアンを用いて、MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)ₙ スーパーライニングの電子状態を記述する。
• 第一原理計算を用いてモデル予測を検証し、系の電子的およびトポロジカル性質を評価する。
• 磁性秩序と層間結合を関数として表面異常ホール伝導度を分析し、axion絶縁体相を同定する。
• トポロジカル不変量を計算し、絶縁体、Weyl半金属、トポロジカル絶縁体相の間の遷移を特定することで、トポロジカル位相図をマッピングする。
• 磁性の均一性と層間結合の変動に対する半量子化された異常ホール効果の頑健性を評価する。
• 理論的予測と実験的要件を比較し、実材料における異常ホール効果の今後の測定を支援する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁化と層間 hopping を制御することで、MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)ₙ ハイブリッド構造において半量子化された異常ホール効果を示すaxion絶縁体相を実現可能か？
• RQ2 磁性の不均一性は、axion絶縁体相における表面異常ホール伝導度の局在化と量子化にどのように影響するか？
• RQ3 絶縁体、Weyl半金属、トポロジカル相の間の相互作用を含めた、MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)ₙ の完全な三次元トポロジカル位相図は何か？
• RQ4 この系において半量子化された異常ホール効果が出現するための主要な物性パラメータは何か？
• RQ5 MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)ₙ において半量子化された異常ホール効果を検出するために必要な実験的条件は何か？

主な発見

• MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)ₙ のaxion絶縁体相では、表面異常ホール伝導度が磁性の均一性に応じて e²/2h に飽和するか、あるいはその周辺を振動する。
• 磁性の均一性に依存する豊かな三次元トポロジカル位相図が確立され、三つのトポロジカル的に異なる絶縁体相がWeyl半金属相によって接続されている。
• 磁性秩序が均一な場合、半量子化された異常ホール効果は実現可能な条件で頑健であることが示され、実験的実現可能性が裏付けられた。
• 第一原理計算により、モデルハミルトニアンの予測が妥当であることが確認され、量子化された表面応答を示すaxion絶縁体相の出現が裏付けられた。
• 表面異常ホール伝導度が明確に局在化していることが判明し、axion絶縁体相を特定するための信頼できる指標であることが示された。
• 本研究は、半量子化された異常ホール効果を観測するための主要な物性パラメータと条件を同定することで、実験的実現への明確な道筋を提供した。