[論文レビュー] The Curious Magnetic Properties of Orbital Chern Insulators

Jihang Zhu, Jung-Jung Su+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2020

Topological Materials and Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、スピン極性ではなく、自発的軌道電流から生じる磁化を示す、フェルミ磁性体のトポロジカル絶縁体の別種としての軌道チャーン絶縁体を導入する。弱いn型およびp型ドーピングによって固定磁場下で軌道磁化の符号が反転することを示し、外部磁場を用いずに純電気的スイッチングによる磁化状態の切り替えを可能にする。これは低消費電力スピントロニクス素子への道筋を示す。

ABSTRACT

Chern insulator ferromagnets are characterized by a quantized anomalous Hall effect, and have so far been identified experimentally in magnetically-doped topological insulator (MTI) thin films and in bilayer graphene moir{e} superlattices. We classify Chern insulator ferromagnets as either spin or orbital, depending on whether the orbital magnetization results from spontaneous spin-polarization combined with spin-orbit interactions, as in the MTI case, or directly from spontaneous orbital currents, as in the moir{e} superlattice case. We argue that in a given magnetic state, characterized for example by the sign of the anomalous Hall effect, the magnetization of an orbital Chern insulator will often have opposite signs for weak $n$ and weak $p$ electrostatic or chemical doping. This property enables pure electrical switching of a magnetic state in the presence of a fixed magnetic field.

研究の動機と目的

• 磁化の起源に基づいてチャーン絶縁体フェルミ磁性体をスピン型と軌道型に分類すること。
• 電気的または化学的ドーピングが、軌道チャーン絶縁体における軌道磁化の符号に与える影響を調査すること。
• 外部磁場を用いずにドーピング制御により磁化状態を電気的にスイッチ可能かどうかを検討すること。
• 固定磁場下で磁化の純電気的スイッチングのメカニズムを確立すること。
• モアレ超格子や類似系を用いたチューナブルなトポロジカル磁性素子の設計の理論的基盤を提供すること。

提案手法

• スピン軌道結合によるスピン極性に起因する磁化（スピン型）か、内在的軌道電流に起因する磁化（軌道型）かに基づいてチャーン絶縁体フェルミ磁性体を分類すること。
• 固定外部磁場下における弱いn型およびp型ドーピングに対する軌道磁化の応答を分析すること。
• 対称性およびバンド構造の議論を用いて、逆向きのドーピングタイプで軌道磁化の符号が反転することを示すこと。
• 有効ハミルトニアンモデルを用いてモアレ超格子における電子状態および異常ホール効果を記述すること。
• 異常ホール効果の符号が固定されたまま、ドーピングによって軌道磁化の符号が反転する条件を導出すること。
• この符号反転が、ゲート電圧による磁化状態の純電気的スイッチングを可能にすることを実証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弱いn型およびp型ドーピングに対して、軌道チャーン絶縁体における軌道磁化の符号はどのように応答するか？
• RQ2 外部磁場を加えずに、軌道チャーン絶縁体の磁化状態を電気的にスイッチできるか？
• RQ3 自発的軌道電流は、軌道チャーン絶縁体における磁化方向の決定にどのような役割を果たすか？
• RQ4 なぜ逆向きのドーピングタイプで軌道磁化の符号が反転する一方で、異常ホール効果の符号は変わらないのか？
• RQ5 この挙動は、低消費電力磁気メモリ素子の設計にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 弱いn型およびp型ドーピングの間で切り替えると、軌道チャーン絶縁体は軌道磁化の符号が反転する。
• このドーピング反転下でも、異常ホール効果の符号は変化せず、ホール応答と軌道磁化の符号の間には分離が生じていることを示している。
• 固定外部磁場が存在する条件下で、この符号反転が磁化状態の純電気的スイッチングを可能にする。
• このメカニズムは、スピン極性が存在しない状態での軌道電流の内在的性質に依存しており、スピンベースのフェルミ磁性体とは明確に区別される。
• この効果は弱いドーピングにおいても安定であるため、実用的デバイス応用に適している。
• 本研究の結果は、モアレ超格子や類似系が、電気的にスイッチ可能なトポロジカル磁性体を実現するにふさわしいプラットフォームである可能性を示唆している。