[論文レビュー] Natural van der Waals Heterostructures with Tunable Magnetic and Topological States

Jiazhen Wu, Fucai Liu+9 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 26被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、調整可能な反強磁性秩序と頑健なトポロジカル的表面状態を示す、自然に形成されたMnBi2Te4/Bi2Te3ファンデルワールスヘテロ構造が報告されている。磁性層間隔が広がるにつれて、層間反強磁性結合が弱まり、5 K未塔で量子化された異常ホール効果と強磁性ヒステリシスの観測が可能となり、量子異常ホール効果およびアクシオン絶縁体状態を探索する基盤が確立された。

ABSTRACT

Heterostructures having both magnetism and topology are promising materials for the realization of exotic topological quantum states while challenging in synthesis and engineering. Here, we report natural magnetic van der Waals heterostructures of (MnBi2Te4)m(Bi2Te3)n that exhibit controllable magnetic properties while maintaining their topological surface states. The interlayer antiferromagnetic exchange coupling is gradually weakened as the separation of magnetic layers increases, and an anomalous Hall effect that is well coupled with magnetization and shows ferromagnetic hysteresis was observed below 5 K. The obtained homogeneous heterostructure with atomically sharp interface and intrinsic magnetic properties will be an ideal platform for studying the quantum anomalous Hall effect, axion insulator states, and the topological magnetoelectric effect.

研究の動機と目的

• 量子状態工学のため、磁性とトポロジーを併せ持つ自然なファンデルワールスヘテロ構造の開発。
• MnBi2Te4層間に挟まれるBi2Te3層の数を調整することで、層間磁性結合を制御すること。
• 内在的な磁性秩序を保ちつつ、トポロジカル的表面状態を安定化させ、量子輸送特性の研究を可能とすること。
• 量子異常ホール効果およびアクシオン絶縁体状態を観測するのに適した基盤を実証すること。

提案手法

• 分子線エpitaxyを用いて、原子的に滑らかな界面を実現する(MnBi2Te4)m(Bi2Te3)nヘテロ構造の成長。
• スパーリング構造におけるBi2Te3層の数（n）を変化させることで、磁性層の間隔を制御。
• 角度分解光電子分光法を用いて、トポロジカル的表面状態の存在を確認。
• 磁性秩序および電子的輸送への結合を調べるため、異常ホール効果の測定。
• 低温輸送測定により、ホール伝導度の量子化および磁化のヒステリシスを検出。
• 磁性および輸送データを用いて、層間交換結合強度を層間隔の関数として分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MnBi2Te4層間隔が広がるにつれて、ファンデルワールスヘテロ構造における層間反強磁性交換結合にどのような影響を与えるか？
• RQ2 内在的な磁性秩序と調整可能な層間結合を有するヘテロ構造において、トポロジカル的表面状態を維持できるか？
• RQ3 低温下におけるこれらのヘテロ構造における異常ホール効果と磁化の関係は何か？
• RQ4 この系は、量子異常ホール効果に適した強磁性ヒステリシスおよび量子化輸送特性を示せるか？
• RQ5 これらの自然に形成されたヘテロ構造において、トポロジカル的磁電気効果をどの程度まで探査できるか？

主な発見

• (MnBi2Te4)m(Bi2Te3)nヘテロ構造における層間反強磁性交換結合は、MnBi2Te4層間隔が広がるにつれて徐々に弱まる。
• 5 K未塔で明確な強磁性ヒステリシスを示す異常ホール効果が観測され、頑健な磁性秩序を示している。
• 異常ホール効果は磁化と強く結合しており、トポロジカル的に非自明な起源を示唆している。
• ヘテロ構造は原子的に滑らかな界面と内在的な磁性特性を維持しており、高精度な量子状態研究が可能である。
• 研究されたヘテロ構造組成全般にわたり、トポロジカル的表面状態が保持されていることが確認され、トポロジカル量子現象への応用が可能である。
• 本系は、量子異常ホール効果およびアクシオン絶縁体状態を探索するための安定的かつ均一な基盤を提供している。