[論文レビュー] Intertwined Topological and Magnetic Orders in Atomically Thin Chern Insulator MnBi2Te4

Dmitry Ovchinnikov, Xiong Huang+16 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2020

Rare-earth and actinide compounds被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、磁場誘発のねじれた磁性秩序によって駆動される原子層スケールのMnBi2Te4において、連続的で調整可能なトポロジカル相転移が明らかになった。バンドクロスイングとギャップの再開が観測され、それがトポロジカル不変量の変化と一致しており、これはトポロジカル相転移の証明である。驚くべきことに、偶数層および奇数層の両方で類似したトポロジカル相転移が観測され、このチェーンインスレーターにおける層数依存の挙動についての従来の理論的・実験的仮定に挑戦するものである。

ABSTRACT

The interplay between band topology and magnetic order plays a key role in quantum states of matter. MnBi2Te4, a van der Waals magnet, has recently emerged as an exciting platform for exploring Chern insulator physics. Its layered antiferromagnetic order was predicted to enable even-odd layer-number dependent topological states, supported by promising edge transport measurements. Furthermore, it becomes a Chern insulator when all spins are aligned by an applied magnetic field. However, the evolution of the bulk electronic structure as the magnetic state is continuously tuned and its dependence on layer number remains unexplored. Here, employing multimodal probes, we establish one-to-one correspondence between bulk electronic structure, magnetic state, topological order, and layer thickness in atomically thin MnBi2Te4 devices. As the magnetic state is tuned through the canted magnetic phase, we observe a band crossing, i.e., the closing and reopening of the bulk bandgap, corresponding to the concurrent topological phase transition. Surprisingly, we find that the even- and odd-layer number devices exhibit a similar topological phase transition coupled to magnetic states, distinct from recent theoretical and experimental reports. Our findings shed new light on the interplay between band topology and magnetic order in this newly discovered topological magnet and validate the band crossing with concurrent measurements of topological invariant in a continuously tuned topological phase transition.

研究の動機と目的

• 原子層スケールのMnBi2Te4におけるバンドトポロジーと磁性秩序の相乗的相互作用を理解すること。
• 少数層MnBi2Te4において、磁性状態を連続的にチューニングした際のバルク電子構造の進化を調査すること。
• 理論的予測と過去の実験報告との間にある層数依存のトポロジカル挙動に関する矛盾を解消すること。
• マルチモーダルプローブを用いて、磁性状態、トポロジカル秩序、層厚さの間の直接的相関関係を確立すること。
• トポロジカル不変量の同時測定を通じて、バンドクロスイングとトポロジカル相転移の存在を検証すること。

提案手法

• 電子的および磁性的性質を評価するために、輸送測定、磁気光学分光法、磁場チューニングを組み合わせたマルチモーダル実験プローブを用いた。
• 制御された層数（偶数および奇数）を有する剥離された原子層スケールのMnBi2Te4デバイスを調製し、厚さ依存の挙動を調査した。
• 外部磁場を印加して、反強磁性からねじれた状態へ、最終的にはスピンがすべて整列した完全に偏極した状態へと磁性状態を連続的にチューニングした。
• 輸送および光学測定を通じてバルクギャップの変化をモニタリングし、ギャップの閉じおよび再開を検出するようにした。
• 観測されたバンドクロスイングおよび対称性の変化をもとに、トポロジカル相転移を推論し、同時にトポロジカル不変量を測定することでその妥当性を確認した。
• 異なる層厚さにおける磁性状態の進化とトポロジカル秩序の関係を相関させ、普遍的な挙動を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部磁場による連続的チューニングによって、原子層スケールのMnBi2Te4のバルク電子構造はどのように変化するか？
• RQ2 磁性秩序（特にねじれた相）とMnBi2Te4におけるトポロジカル相転移の関係は何か？
• RQ3 一部の理論が予測するように、偶数層および奇数層のMnBi2Te4は、層数依存の異なるトポロジカル相転移挙動を示すのか？
• RQ4 連続的な磁場チューニング過程において、バンドクロスイングおよびそれに伴うトポロジカル不変量の変化を実験的に観測できるか？
• RQ5 層厚さはMnBi2Te4におけるトポロジーと磁性の相互作用にどのように影響するか？

主な発見

• ねじれた磁性相において、バルクギャップの閉じおよび再開が明確に観測され、バンドクロスイングが確認され、連続的トポロジカル相転移の兆候となった。
• トポロジカル不変量の同時測定により、トポロジカル相転移が内在的であり、アーティファクト由来ではないことが確認された。
• 偶数層および奇数層のMnBi2Te4デバイスの両方で、磁場チューニング下で類似したトポロジカル相転移が観測され、層数依存の差異についての過去の理論的・実験的報告とは矛盾する結果となった。
• バルク電子構造の進化が磁性状態と直接相関していることが判明し、磁性、トポロジー、層厚さの間の1対1対応関係が確立された。
• ねじれた磁性相は、トポロジカル転移を可能にする重要な中間状態であり、その出現はギャップの消失と対称性の変化と関連している。
• 本結果により、MnBi2Te4が層数にかかわらず強固でチューナブルなトポロジカル状態を有することが示され、トポロジカル量子デバイスへの応用可能性が浮き彫りになった。