[論文レビュー] Strongly Gapped Topological Surface States on Protected Surfaces of Antiferromagnetic MnBi$_4$Te$_7$ and MnBi$_6$Te$_{10}$

Kyle Gordon, Hongyi Sun+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 39被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、MnBi₄Te₇およびMnBi₆Te₁₀が、MnBi₂Te₄表面を1層のBi₂Te₃で被覆することで、大きな、強くギャップのあるトポロジカル表面状態を示すことを示した。この条件下で約100 meVの質量ギャップが達成された。小スポットARPESを用いて、被覆構造により表面磁気的不規則性が抑制されることを示し、これらの材料は量子異常ホール効果を実現する上で極めて有望な候補である。

ABSTRACT

The search for materials to support the Quantum Anomalous Hall Effect (QAHE) have recently centered on intrinsic magnetic topological insulators (MTIs) including MnBi$_2$Te$_4$ or heterostructures made up of MnBi$_2$Te$_4$ and Bi$_2$Te$_3$. While MnBi$_2$Te$_4$ is itself a MTI, most recent ARPES experiments indicate that the surface states on this material lack the mass gap that is expected from the magnetism-induced time-reversal symmetry breaking (TRSB), with the absence of this mass gap likely due to surface magnetic disorder. Here, utilizing small-spot ARPES scanned across the surfaces of MnBi$_4$Te$_7$ and MnBi$_6$Te$_{10}$, we show the presence of large mass gaps (~ 100 meV scale) on both of these materials when the MnBi$_2$Te$_4$ surfaces are buried below one layer of Bi$_2$Te$_3$ that apparently protects the magnetic order, but not when the MnBi$_2$Te$_4$ surfaces are exposed at the surface or are buried below two Bi$_2$Te$_3$ layers. This makes both MnBi$_4$Te$_7$ and MnBi$_6$Te$_{10}$ excellent candidates for supporting the QAHE, especially if bulk devices can be fabricated with a single continuous Bi$_2$Te$_3$ layer at the surface.

研究の動機と目的

• 量子異常ホール効果（QAHE）を実現するための前提条件である、トポロジカル表面状態に大きな質量ギャップを有する内在的磁性トポロジカル絶縁体を同定すること。
• MnBi₂Te₄を基盤とするファンデルワールスヘテロ構造において、表面終末状態およびキャッピング層が磁性秩序およびトポロジカルギャップ形成に与える影響を調査すること。
• MnBi₄Te₇およびMnBi₆Te₁₀の表面が1層のBi₂Te₃で被覆されることで、磁気的不規則性が抑制され、時間反転対称性の破れが安定化するかどうかを特定すること。
• トポロジカルギャップの大きさと頑健性を測定することで、MnBi₄Te₇およびMnBi₆Te₁₀がQAHEの実現に向けた実用的プラットフォームとして有効であるかどうかを評価すること。

提案手法

• 小スポット角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、MnBi₄Te₇およびMnBi₆Te₁₀結晶の電子状態を高い空間分解能およびエネルギー分解能でマッピングした。
• 結晶を割ることで表面終末状態を系統的に変化させ、MnBi₂Te₄表面を直接露出させるか、1層または2層のBi₂Te₃層の下に埋め込むかを制御した。
• ディラック点付近の表面状態のエネルギー分裂を観察することで、トポロジカル質量ギャップの有無と大きさを分析した。
• 異なる表面終末状態を有する試料を比較することで、ギャップの安定性および大きさから、キャッピング層が磁性秩序に与える影響を推定した。
• 層状構造を有する内在的磁性トポロジカル絶縁体として、反強磁性のMnBi₄Te₇およびMnBi₆Te₁₀に焦点を当てた。
• 時間反転対称性の破れの理論的予測を、実験的にギャップサイズを測定することで検証した。このギャップが有限であれば、TRSBが保持されていると解釈できる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MnBi₄Te₇およびMnBi₆Te₁₀に1層のBi₂Te₃キャッピング層が存在する場合、表面磁気的不規則性が抑制され、大きなトポロジカル質量ギャップが安定化するか？
• RQ2 MnBi₄Te₇およびMnBi₆Te₁₀のMnBi₂Te₄表面が、真空に直接露出している場合、ARPESで測定可能なギャップを示さないのはなぜか？（内在的磁性トポロジカル絶縁体であるにもかかわらず）
• RQ3 表面終末状態および層の積層構造が、MnBi₂Te₄を基盤とする材料における時間反転対称性の破れの維持に果たす役割は何か？
• RQ4 1層のBi₂Te₃で被覆されたMnBi₄Te₇およびMnBi₆Te₁₀のトポロジカル表面状態が、QAHEに必要なスケール（約100 meV）のギャップを持つことができるか？
• RQ5 MnBi₂Te₄表面にキャッピングされるBi₂Te₃層の数に応じて、ギャップサイズはどのように変化するか？

主な発見

• MnBi₄Te₇およびMnBi₆Te₁₀の被覆されたMnBi₂Te₄表面では、1層のBi₂Te₃で被覆された状態で約100 meVの大きなトポロジカル質量ギャップが観測された。
• MnBi₂Te₄表面が真空に直接露出している状態では、顕著なギャップは観測されず、時間反転対称性を破る強い表面磁気的不規則性が存在することが示された。
• MnBi₂Te₄表面に第2のBi₂Te₃層が存在しても、大きなギャップを安定化させることはできず、1層の被覆層のみが最適な磁性秩序保護を提供することが示された。
• 観測されたギャップサイズは、内在的磁性トポロジカル絶縁体における時間反転対称性の破れの理論的予測と整合的である。
• 本結果は、表面が1層のBi₂Te₃で被覆されていることが、これらの材料において頑健でギャップのあるトポロジカル表面状態を実現するために不可欠であることを示している。
• これらの発見により、MnBi₄Te₇およびMnBi₆Te₁₀は、特に1層のBi₂Te₃キャッピング層を持つバルクデバイスにおいて、量子異常ホール効果を実現する可能性を有する有望な候補であると確立された。