[論文レビュー] Non-reciprocal charge transport in an intrinsic magnetic topological insulator MnBi2Te4

Zhaowei Zhang, Naizhou Wang+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、ファンデルワールス磁性トポロジカル絶縁体である真性MnBi2Te4において、ゲートで制御可能な非相反性電荷輸送を実証した。少数七層膜構造のMnBi2Te4におけるキラルな端効果を利用することで、磁気的にスイッチ可能な、端の位置に依存する非相反性抵抗を観測し、ゲート電圧によって効果的に制御可能であることを明らかにした。これにより、キラル性がトポロジカルスピントロニクスにおける主要な制御パrameterであることが示された。

ABSTRACT

Symmetries, quantum geometries and electronic correlations are among the most important ingredients of condensed matters, and lead to nontrivial phenomena in experiments, for example, non-reciprocal charge transport. Here we report the non-reciprocal charge transport in the intrinsic magnetic topological insulator MnBi2Te4. The current direction relevant resistance is observed at chiral edges, which is magnetically switchable, edge position sensitive and septuple layer number controllable. Applying gate voltage can effectively tune the non-reciprocal resistance. The observation and manipulation of non-reciprocal charge transport indicate the fundamental role of chirality in charge transport of MnBi2Te4, and pave ways to develop van der Waals spintronic devices by chirality engineering.

研究の動機と目的

• ドーピングなしの真性磁性トポロジカル絶縁体における非相反性電荷輸送を調査すること。
• 散乱輸送領域におけるキラル性と磁性秩序の役割を調査すること。
• MnBi2Te4におけるゲート電圧と層厚さによる非相反性抵抗のチューニングを実証すること。
• スピントロニクス応用を目的とした、van der Waalsヘテロ構造におけるキラルな端の工学的プラットフォームを確立すること。

提案手法

• 5-SLおよび4-SLの少数層MnBi2Te4フラケットを、Al2O3を用いた機械的剥離法により調製した。
• 高品質なデバイスを確保するため、ステンシルマスクを介した熱蒸着によりAu電極を形成した。
• フェルミ準位を電荷中性点にチューニングするために、下部のSi/SiO2および上部のグラファイト/BNゲートを用いた。
• 交流電流を印加し、逆方向の電流に対する抵抗差を測定することで、非相反性抵抗を測定した。
• 量子異常ホール状態および活性化ギャップを調べるために、磁場および温度依存の輸送測定を実施した。
• ゲート電圧、磁場、温度をパラメータとしてホール抵抗および縦方向抵抗を分析し、輸送特性を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 真性磁性トポロジカル絶縁体としてのMnBi2Te4において、非相反性電荷輸送を観測できるか？
• RQ2 MnBi2Te4における非相反性抵抗は、磁場、ゲート電圧、層厚さにどのように依存するか？
• RQ3 非相反性輸送はキラル的かつ端に特異的であり、磁気的にスイッチ可能か？
• RQ4 MnBi2Te4において、静電的ゲーティングによって非相反性抵抗をどの程度チューニングできるか？
• RQ5 ドーピングが存在しない状況で、キラル性とトポロジカル端状態が非相反性輸送を可能にする役割は何か？

主な発見

• 5-SLおよび4-SLのMnBi2Te4において、低温（約23 K未満）で非相反性抵抗が観測され、電流の向きに明確な依存性を示した。
• 非相反性抵抗は磁気にスイッチ可能であり、ネール温度（約23 K）を超えると消え、磁化がゼロの状態でも消失した。
• 電荷中性点（CNP）において、ホール抵抗が最大値に達し、縦方向抵抗が最小値に達するため、最適なキラル端輸送が実現していると示された。
• 非相反性抵抗は端の位置に依存しており、デバイスの左端でより強い効果が観測された。
• ゲート電圧によるチューニングで非相反性抵抗が効果的に制御され、CNP近辺で最大効果を示した（5-SLではVg_CNP ≈ 22 V、4-SLでは13 V）。
• アレンニウスフィッティングによる縦方向抵抗の解析から、活性化エネルギーギャップを0.944 meV（5-SL）および0.779 meV（4-SL）として抽出し、トポロジカルギャップの存在を確認した。