[論文レビュー] Magnetization of Topological Surface States of Topological Insulators by Two-dimensional Ferromagnetism

Yusheng Hou, Ruqian Wu|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 1被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、CrI3/Bi2Se3/CrI3のファンデルワールスヘテロ構造が、2次元フェロ磁性を介して3次元トポロジカル絶縁体Bi2Se3のトポロジカル表面状態を磁化し、顕著なバンドギャップを有するチーン絶縁体を実現することを示している。特に、Bi2Se3の層厚さが6層以上（5重層）の場合に顕著であり、高温量子アノマロスホール効果を実験的に達成する有望な道筋を提供している。

ABSTRACT

Magnetization of the topological surface states of topological insulators is critical to designing and creating next-generation innovative and novel spintronic devices. Here we discover through density functional calculations that the emerging two-dimensional (2D) ferromagnetism discovered in the insulating monolayer CrI3 by recent experiments [B. Huang et al., Nature (London) 546, 270 (2017)] can magnetize the topological surface states of the prototypical three-dimensional (3D) topological insulator Bi2Se3 by building van der Waals (vdW) heterostructures CrI3/Bi2Se3/CrI3. Excitingly, such heterostructures with six and more quintuple layers of Bi2Se3 are the long-term sought Chern insulators. Moreover, the band gaps of these Chern insulators are noticeably increased by reducing their vdW gaps. Our work demonstrates contacting 3D topological insulators with the emerging 2D ferromagnetism is a highly promising frontier to realize the high-temperature quantum anomalous Hall effect experimentally in the future.

研究の動機と目的

• 3次元トポロジカル絶縁体のトポロジカル表面状態に2次元フェロ磁性材料を用いて磁化を誘起する可能性を検討すること。
• 実験的に達成可能な温度で量子アノマロスホール効果を実現するという長年の課題を解決すること。
• CrI3/Bi2Se3/CrI3のファンデルワールズヘテロ構造が、ある程度のサイズのバンドギャップを有するチーン絶縁体を形成できるかどうかを調査すること。
• Bi2Se3の層厚さとファンデルワールズギャップが、ヘテロ構造のトポロジカルおよび磁気的性質に与える影響を特定すること。

提案手法

• CrI3/Bi2Se3/CrI3のファンデルワールズヘテロ構造の電子的および磁気的性質をモデル化するために密度汎関数理論（DFT）計算を用いる。
• 特に6層以上（5重層）のBi2Se3を含む、異なる5重層数のヘテロ構造を構築する。
• バンド構造およびスピンテクスチャーの分析により、非自明なチーン絶縁体相の出現を特定する。
• ファンデルワールズギャップを小さくすることで、バンドギャップの大きさとトポロジカル特性に与える影響を評価する。
• スピン極化計算を用いて、フェロ磁性の整列状態とBi2Se3の表面状態への結合を確認する。
• ヘテロ構造系における安定性および磁気的プロキシミティ効果を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CrI3の2次元フェロ磁性は、Bi2Se3のトポロジカル表面状態に頑健な磁化を誘起できるか？
• RQ2 十分なBi2Se3の層厚さを持つCrI3/Bi2Se3/CrI3ヘテロ構造は、非自明なチーン絶縁体相を示すか？
• RQ3 CrI3とBi2Se3の間のファンデルワールズギャップを小さくすることで、トポロジカルバンドギャップにどのような影響を与えるか？
• RQ4 Bi2Se3の層厚さは、このヘテロ構造系における大ギャップチーン絶縁体の安定化に果たす役割は何か？
• RQ5 このヘテロ構造設計により、高温量子アノマロスホール効果の実験的実現が可能になるか？

主な発見

• CrI3/Bi2Se3/CrI3ヘテロ構造は、2次元フェロ磁性体CrI3のプロキシミティ効果により、Bi2Se3のトポロジカル表面状態を効果的に磁化している。
• 6層以上（5重層）のBi2Se3を有するヘテロ構造は、非自明なチーン絶縁体相を示しており、そのトポロジカル性が確認された。
• CrI3とBi2Se3の間のファンデルワールズギャップを小さくすることで、チーン絶縁体状態のバンドギャップが顕著に拡大した。
• 本系は、高温量子アノマロスホール効果の応用に適した安定的で大ギャップのトポロジカル状態を示している。
• 磁気的プロキシミティ効果は、十分に強く、Bi2Se3の表面状態に頑健なフェロ磁性秩序を誘起できる。
• 本研究の結果は、2次元フェロ磁性と3次元トポロジカル絶縁体を組み合わせることで、高温トポロジカル量子デバイスを設計する実現可能性を示している。