[論文レビュー] The Nature of Magnetic Ordering in Magnetically Doped Topological Insulator Bi$_{2-x}$Fe$_x$Se$_3$

Z. Salman, E. Pomjakushina+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2012

Topological Materials and Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、3次元トポロジカル絶縁体としてのFeドープBi₂Se₃を調査し、5%のFeドーピングでさえもFe-Fe相互作用によって~250 Kまでバルク磁気的秩序が誘発されることを明らかにした。ミュオンスピン緩和および磁化測定を用いて、2つの異なる磁気的状態が特定された：高温域（10–250 K）ではRKKY型相互作用によって駆動される強磁性的秩序、低温域（<10 K）では単一イオン効果が支配的であり、磁気モーメントはc軸に垂直に整列し、ドーピング濃度とは無関係であった。

ABSTRACT

We present a detailed investigation of the magnetic and structural properties of magnetically doped 3D topological insulator Bi2Se3. From muon spin relaxation measurements in zero magnetic field, we find that even 5% Fe doping on the Bi site turns the full volume of the sample magnetic at temperatures as high as ~250 K. This is also confirmed by magnetization measurements. Two magnetic "phases" are identified; the first is observed between ~10-250 K while the second appears below ~10 K. These cannot be attributed to impurity phases in the samples. We discuss the nature and details of the observed magnetism and its dependence on doping level.

研究の動機と目的

• FeドーピングされたBi₂Se₃における磁気的秩序の性質を、ドーピング濃度の変化に応じて調査すること。
• 観察された磁気的性質が、内在的なFeドーピング由来であるのか、不純相由来であるのかを特定すること。
• バルク磁気的相互作用と表面に起因する効果（特に時間反転対称性の破れに関連して）を区別すること。
• 伝導電子がRKKY型メカニズムを通じてFe-Fe磁気的相互作用を媒介する役割を調査すること。
• 深さ分解型ミュオンスピン分光法を用いた今後の表面感受性研究の基盤を確立すること。

提案手法

• 外部磁場を一切施さない状態で局所的な磁場および磁気的動態をプローブするためのゼロ場ミュオンスピン緩和（ZF-μSR）
• マクロな磁気的応答を評価するための物理的性質測定システム（PPMS）を用いたバルク磁化測定
• Bi₂₋ₓFeₓSe₃におけるFeドーピング濃度x = 0, 0.1, 0.2, 0.3を用いた単結晶成長（Bridgman法）
• 構造的特徴と相純度の検証のための粉末X線回折（XRD）
• FeイオンがBi面にランダムに置換された三角格子上での双極子場分布のモデル化（ミュオン位置の格子定数4.76 Åを仮定）
• 温度依存の緩和率および磁場分布の解析を通じて、磁気的相転移およびモーメントの動的挙動を推定すること

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FeドーピングBi₂Se₃におけるバルク磁気的秩序の起源は何か？ それは内在的であるのか、不純相由来であるのか？
• RQ2 FeドーピングBi₂Se₃の磁気的挙動はドーピング濃度および温度にどのように依存するか？
• RQ3 10–250 Kと10 K未満の間で観察された2つの異なる磁気的状態の性質は何か？
• RQ4 観察された磁気的相互作用は伝導電子によって媒介されているのか？ もしそうなら、どのタイプの相互作用（例：RKKY）が支配的か？
• RQ5 磁気モーメントの配向および局所的磁場環境は、温度およびドーピング濃度にどのように依存するか？

主な発見

• 5%のFeドーピングでさえも、ZF-μSRおよび磁化測定の両方によって、~250 Kまで全体にわたる磁気的秩序が誘発されることを確認した。
• 2つの磁気的状態が特定された：高温域（10–250 K）ではFe-Fe相互作用が支配的、低温域（<10 K）では単一Feイオンの性質および結晶場効果が支配的である。
• 平均的なFe磁気モーメントはドーピング濃度にほとんど依存せず、c軸に対して垂直に整列しており、磁化データから強い異方性が観察された。
• 高濃度のFeドーピングにおいては、温度が低下するに従いミュオン位置での局所的磁場が急激に増加する傾向が見られ、Fe-Fe結合が強化されていることが示唆された。
• 低温域の磁気的応答はドーピングに敏感でないため、単一イオン効果が支配的であると考えられ、一方高温域の挙動はFe-Fe間隔に依存するためドーピング濃度に依存する。
• 未ドーピング試料では緩和が観察されず、ドーピング濃度にかかわらず一貫した磁場分布が得られたことから、磁気的不純相が観察された磁気的性質の原因ではないことが排除された。