[論文レビュー] Multiple magnetic topological phases in bulk van der Waals crystal MnSb4Te7

Shuchun Huan, Shihao Zhang+12 more|PubMed|Jan 25, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、MnSb4Te7が、チューナブルなトポロジカル相を示す多機能な磁性トポロジカル材料であることが同定された。磁場を加えた電気伝導度測定、角度分解光電子分光法、および第一原理計算を組み合わせた結果、材料は反強磁性状態ではZ₂反強磁性トポロジカル絶縁体であり、強磁性状態では軸子絶縁体に遷移することが示された。さらに、キャリアドーピングによりワイル半金属に転移し、顕著な異常ホール効果によって裏付けられた。

ABSTRACT

The magnetic van der Waals crystals MnBi_{2}Te_{4}/(Bi_{2}Te_{3})_{n} have drawn significant attention due to their rich topological properties and the tunability by external magnetic field. Although the MnBi_{2}Te_{4}/(Bi_{2}Te_{3})_{n} family have been intensively studied in the past few years, their close relatives, the MnSb_{2}Te_{4}/(Sb_{2}Te_{3})_{n} family, remain much less explored. In this work, combining magnetotransport measurements, angle-resolved photoemission spectroscopy, and first principles calculations, we find that MnSb_{4}Te_{7}, the n=1 member of the MnSb_{2}Te_{4}/(Sb_{2}Te_{3})_{n} family, is a magnetic topological system with versatile topological phases that can be manipulated by both carrier doping and magnetic field. Our calculations unveil that its A-type antiferromagnetic (AFM) ground state stays in a Z_{2} AFM topological insulator phase, which can be converted to an inversion-symmetry-protected axion insulator phase when in the ferromagnetic (FM) state. Moreover, when this system in the FM phase is slightly carrier doped on either the electron or hole side, it becomes a Weyl semimetal with multiple Weyl nodes in the highest valence bands and lowest conduction bands, which are manifested by the measured notable anomalous Hall effect. Our work thus introduces a new magnetic topological material with different topological phases that are highly tunable by carrier doping or magnetic field.

研究の動機と目的

• MnSb4Te7のトポロジカル性質を調査すること。これはMnBi2Te4に比べて未解明なMnSb2Te4/(Sb2Te3)n系に属する。
• このファンデルワールス結晶における磁性、電子構造、トポロジーの相関関係を解明すること。
• キャリアドーピングと外部磁場が、MnSb4Te7における明確なトポロジカル相を誘発できるかどうかを検証すること。
• MnSb4Te7を、チューナブルなトポロジカル量子現象のプラットフォームとして確立すること。

提案手法

• 磁場下における異常ホール効果と電子的応答を調べるための磁気電気伝導度測定を実施する。
• 電子バンド構造を直接マッピングし、ワイルノードを特定するための角度分解光電子分光法（ARPES）を実施する。
• 異なる磁性状態におけるトポロジカル不変量と相転移を予測するための第一原理計算を実施する。
• 強磁性状態における軸子絶縁体相の対称性保護性を分析する。
• A型反強磁性基底状態の電子構造を強磁性状態およびドーピング状態と比較する。
• 対称性とバンドトポロジー解析を用いて、系におけるZ₂不変量および軸子結合を分類する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MnSb4Te7は、外部パラメータによって制御可能な複数のトポロジカル相を有するか？
• RQ2 MnSb4Te7におけるA型反強磁性基底状態のトポロジカル性質は何か？
• RQ3 強磁性状態においてZ₂トポロジカル絶縁体から軸子絶縁体にどのように遷移するか？
• RQ4 強磁性状態においてキャリアドーピングが誘起するトポロジカル相は何か、そしてどのように検出されるか？
• RQ5 この系において異常ホール効果は、ワイル半金属の性質を示すサインとして用いられるか？

主な発見

• 第一原理計算により、MnSb4Te7のA型反強磁性基底状態がZ₂トポロジカル絶縁体であることが確認された。
• 強磁性状態に移行すると、反転対称性保護された軸子絶縁体となり、非自明なトポロジカル応答を示した。
• 強磁性状態において、わずかな電子またはホールドーピングにより、価電子帯および伝導帯に複数のワイルノードを持つワイル半金属相が誘発された。
• 磁気電気伝導度測定による顕著で頑健な異常ホール効果により、複数のワイルノードの存在が実験的に確認された。
• キャリアドーピングおよび外部磁場の両方によって、トポロジカル相転移が制御可能であり、系のトポロジーを動的に制御可能であることが示された。
• MnSb4Te7は、多様で切り替え可能なトポロジカル相を示す新たな多機能磁性トポロジカル材料のプラットフォームとして確立された。