[論文レビュー] Quantum Oscillations in the Field-induced Ferromagnetic State of MnBi$_{2-x}$Sb$_{x}$Te$_{4}$

Qianni Jiang, Chong Wang+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2020

Rare-earth and actinide compounds被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、MnBi$_{2-x}$Sb$_{x}$Te$_{4}$ の磁場誘発強磁性相における量子揺らぎを報告しており、Sbドーピングがキャリアの性質を電子から正孔へと調整することを示している。観測されたシュービニコフ＝ド・ハース揺らぎとその温度依存的周波数は、強磁性 MnBi$_{2}$Te$_{4}$ においてウェイル半金属状態の出現を強く支持しており、密度汎関数理論の予測と整合的である。

ABSTRACT

The intrinsic antiferromagnetic topological insulator MnBi$_{2}$Te$_{4}$ undergoes a metamagnetic transition in a c-axis magnetic field. It has been predicted that ferromagnetic MnBi$_{2}$Te$_{4}$ is an ideal Weyl semimetal with a single pair of Weyl nodes. Here we report measurements of quantum oscillations detected in the field-induced ferromagnetic phase of MnBi$_{2-x}$Sb$_{x}$Te$_{4}$, where Sb substitution tunes the majority carriers from electrons to holes. Single frequency Shubnikov-de Haas oscillations were observed in a wide range of Sb concentrations (0.54 $\leq$ x $\leq$ 1.21). The evolution of the oscillation frequency and the effective mass shows reasonable agreement with the Weyl semimetal band-structure of ferromagnetic MnBi$_{2}$Te$_{4}$ predicted by density functional calculations. Intriguingly, the quantum oscillation frequency shows a strong temperature dependence, indicating that the electronic structure sensitively depends on magnetism.

研究の動機と目的

• 磁場誘発強磁性相における MnBi$_{2-x}$Sb$_{x}$Te$_{4}$ の電子構造を調査すること。
• 理論予測と一致するように、強磁性相がウェイル半金属状態を有するかどうかを特定すること。
• Sbドーピング濃度および温度の変化に伴う量子揺らぎの進化を調査すること。
• 観測された量子揺らぎと MnBi$_{2}$Te$_{4}$ の予測されたウェイルノード構造との定量的関係を確立すること。

提案手法

• c軸に沿った高磁場下で、MnBi$_{2-x}$Sb$_{x}$Te$_{4}$ の単結晶におけるシュービニコフ＝ド・ハース揺らぎの測定。
• キャリアの性質を電子から正孔へと調整するために、Sb濃度（x）を 0.54 から 1.21 まで系統的に変化。
• 揺らぎ周波数と有効質量の分析により、強磁性 MnBi$_{2}$Te$_{4}$ の密度汎関数理論計算と比較。
• 揺らぎ周波数の温度依存性の検討により、磁気的敏感な電子状態を調査。
• 高磁場輸送測定を用いて、縦方向抵抗における量子揺らぎの兆候を同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁場誘発強磁性相の MnBi$_{2-x}$Sb$_{x}$Te$_{4}$ は、ウェイル半金属状態と整合する量子揺らぎを示すか？
• RQ2 Sbドーピングに伴い揺らぎ周波数と有効質量はどのように変化するか。また、強磁性 MnBi$_{2}$Te$_{4}$ の理論予測と一致するか？
• RQ3 温度依存的量子揺らぎから明らかになる磁気の電子状態の調節役割は何か？
• RQ4 この系において、量子揺らぎの兆候を用いてキャリアの性質の遷移（電子から正孔）を追跡できるか？

主な発見

• Sb濃度の広い範囲（0.54 ≤ x ≤ 1.21）において、一意の周波数のシュービニコフ＝ド・ハース揺らぎが観測され、明確なフェルミ表面を示している。
• 揺らぎ周波数はSbドーピングに伴い増加しており、キャリアが電子的から正孔的へと移行していることと整合的である。
• 揺らぎデータから抽出した有効質量は、強磁性 MnBi$_{2}$Te$_{4}$ の密度汎関数理論予測と合理的に一致している。
• 量子揺らぎ周波数は強い温度依存性を示しており、電子状態が磁気秩序に極めて敏感であることが示唆されている。
• 観測された挙動は、MnBi$_{2}$Te$_{4}$ の磁場誘発強磁性相においてウェイル半金属状態が実現されていることを支持している。