[論文レビュー] Helical Chern insulator phase with broken time-reversal symmetry in MnBi$_2$Te$_4$

Chang Liu, Yongchao Wang+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 31被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、高磁場およびゲート電圧チューニングによって安定化される時間反転対称性が破れた条件下で、MnBi₂Te₄に新しいヘリカルチェーンインスレーター相が発見された。この相は、反対方向に伝播するチェーンバンド（C = -1 および C = +1）の共存によって生じる頑健な C = 0 状態を示し、非局所輸送およびチェーン数 -3 から +2 にわたるホールプラトーにより確認された。これは、磁場を用いた磁性を介したトポロジカルバンド構造の工学的制御の新たな道筋を示している。

ABSTRACT

A perpetual quest in the field of topological quantum matter is to search for electronic phases with unprecedented band topology and transport phenomena. The most prominent example is the discovery of topological insulators, in which band inversion leads to topologically nontrivial bulk electronic structure and metallic boundary states. In two-dimensional topological insulators with time-reversal symmetry, a pair of helical edge states gives rise to the quantum spin Hall effect. When the time-reversal symmetry is broken by magnetic order, only one chiral edge mode remains and the quantum anomalous Hall effect emerges in zero magnetic field. This quantum Hall phase without Landau levels, first observed in magnetically doped topological insulators, is now called the Chern insulator. The recently discovered MnBi2Te4 combines intrinsic magnetism and nontrivial topology in one material, providing an ideal platform for exploring novel topological phases. Here, we investigate the transport properties of exfoliated MnBi2Te4 in exceedingly high magnetic fields up to 60 T. By varying the gate voltage, we observe systematic and yet uniquely complex evolution of quantized Hall plateaus with Chern numbers from C = -3 to +2. More surprisingly, a novel phase characterized by an extremely broad zero Hall plateau emerges as the most robust ground state in the high field limit. Theoretical calculations reveal that this C = 0 phase arises from the coexistence of a connate Chern band with C = -1 and a Zeeman-effect-induced Chern band with C = +1, as corroborated by nonlocal transport measurements. This helical Chern insulator phase with broken time-reversal symmetry represents an unexpected new member of the quantum Hall family, and manifests a new route to change the band topology by using magnetic field.

研究の動機と目的

• MnBi₂Te₄ などの内在的磁性トポロジカルインスレーターにおける新しいトポロジカル量子相の探求。
• 強い磁場および静電的ゲーティングがバンドトポロジーをどのようにチューニングし、特異な量子ホール状態を誘発するかの調査。
• 時間反転対称性が破れており、特徴的な広いゼロホールプラトーを示す新しい量子相の同定および特徴付け。
• 輸送測定および理論的解析を通じて、高磁場下における頑健な C = 0 基底状態の起源を特定すること。

提案手法

• 60 Tに達する高磁場を用いて、剥離した MnBi₂Te₄ フレークを極限的状態下での量子輸送にさらした。
• キャリア密度をチューニングし、電子状態を制御するためにゲート電圧を体系的に変化させ、異なるチェーン数プラトーにアクセスした。
• 量子化されたホール抵抗測定を用いて、チェーン数 C = -3 から +2 までのプラトーを同定し、ゼロホールプラトーの進化および安定性に注目した。
• 非局所輸送測定を用いて、キラルエッジ状態の存在を確認し、体積部とエッジ部の寄与を区別した。
• 理論的モデリングにより、C = 0 相が、元来存在する C = -1 チェーンバンドとゼーマン分裂による C = +1 バンドの共存として説明されることを示した。
• 内在的磁性、バンド反転、磁場誘起準位分裂の相乗作用を分析し、ヘリカルチェーンインスレーターの出現を説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高磁場およびゲートチューニング下で MnBi₂Te₄ にどのようなトポロジカル相が出現し、従来のチェーンインスレーターとはどのように異なるか？
• RQ2 ネットチェーン数がゼロであるにもかかわらず、高磁場極限で広範かつ頑健なゼロホールプラトーが基底状態として出現する理由は何か？
• RQ3 内在的およびゼーマン誘起チェーンバンドの競合的寄与が、トポロジカル保護を受ける C = 0 状態をどのように生じさせるか？
• RQ4 この系において、非局所輸送がエッジ状態と体積輸送をどのように区別するか？
• RQ5 C = -1 および C = +1 チェーンバンドの共存が、観測されたトポロジカル相転移および安定性を説明できるか？

主な発見

• 60 Tに達する高磁場下で、極めて広いゼロホールプラトーを示す新しい C = 0 相が、最も頑健な基底状態として出現した。
• ゲート電圧チューニングにより、チェーン数 C = -3 から +2 にわたる量子化ホールプラトーの体系的進化が観測された。
• 理論的モデリングにより、C = 0 相が、元来の C = -1 チェーンバンドとゼーマン分裂による C = +1 バンドの共存によって安定化されていることが確認された。
• 非局所輸送測定により、C = 0 相におけるキラルエッジ状態の直接的証拠が得られ、ネットチェーン数がゼロであるにもかかわらずトポロジカル保護が保たれていることが示された。
• ヘリカルチェーンインスレーター相は時間反転対称性の破れを特徴とし、量子ホール効果の新たなメンバーである。
• 磁場はバンドトポロジーを工学的に制御するためのチューナブルなパラメータとして機能し、磁場誘起バンドクロスによって新しいトポロジカル状態の出現を可能にした。