[論文レビュー] Tunable intrinsic ferromagnetic topological phases in bulk van der Waals crystal MnSb6Te10

Xin Zhang, Shihao Zhang+15 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、MnSb6Te10 が、温度、磁場、またはホールドーピングによって、強磁性、反強磁性、Z2反強磁性トポロジカル絶縁体、アキソン絶縁体、ワイル半金属の各相を遷移可能な、チューナブルな内部的強磁性トポロジカル材料であることが同定された。強い内部的異常ホール効果が、そのトポロジカル性を裏付けている。

ABSTRACT

Intrinsic ferromagnetism is a crucial ingredient to realize quantum anomalous Hall effect in quasi two dimensional materials, thus the search of intrinsic ferromagnetic topological materials is one of the most concerned issues in the field of topological phases of matter. In this work, combining magnetotransport measurements, first principles calculations, and angle-resolved photoemission spectroscopy studies, we find that in MnSb6Te10, the n = 2 member of the MnSb2Te4/(Sb2Te3)n family, the strong magnetic competition realizes a fragile ferromagnetic ground state, which whereas easily enters into ferrimagnetic and the Z_2 antiferromagnetic topological insulator phase with warming to higher temperature. Interestingly, the system stays in an inversion-symmetry-protected axion insulator phase in the ferromagnetic ground state as well as in the external magnetic field driven spin-polarized FM phase and can be converted into a Weyl semimetal with multiple Weyl nodes in the valence bands with hole doping, which are manifested by the measured notable intrinsic anomalous Hall effect. Our work thus provides an intrinsic magnetic topological material which is highly tunable into versatile topological phases by temperature, magnetic field, as well as carrier doping.

研究の動機と目的

• 量子異常ホール効果を発現可能な、内部的強磁性トポロジカル材料の同定。
• van der Waals材料における壊れやすい強磁性状態を安定化させる磁性の競合の役割の解明。
• 温度、磁場、キャリアドーピングなどの外部パラメータを用いた、1つのバルク結晶内でのトポロジカル相のチューナビリティの実証。
• MnSb6Te10 が、アキソン絶縁体やワイル半金属相を含む、複数のトポロジカル状態を実現可能なプラットフォームとしての確立。

提案手法

• 異常ホール効果と磁性相転移を調べるための磁気輸送測定の実施。
• バンドトポロジーと磁性基底状態を特定するための第一原理電子構造計算の実施。
• 表面状態とバンド分散を直接観測するための角度分解光電子分光測定（ARPES）の適用。
• 温度と外部磁場を系統的に変化させ、さまざまな磁性およびトポロジカル相へのアクセスを図る。
• 化学置換によるホールドーピングを導入し、ワイル半金属相への遷移を誘導する。
• 対称性保護とトポロジカル不変量の分析により、強磁性状態およびスピン極化状態におけるアキソン絶縁体行動の確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バルクのvan der Waals結晶における内部的強磁性が、量子異常ホール効果を発現可能なトポロジカル相を安定化できるか？
• RQ2 MnSb6Te10における磁性の競合が、温度および磁場に敏感な壊れやすい強磁性基底状態をどのように生じさせるか？
• RQ3 温度、磁場、またはキャリアドーピングを調整することで、MnSb6Te10 でどのトポロジカル相にアクセスできるか？
• RQ4 MnSb6Te10 の強磁性状態が逆転対称性によって保護されており、アキソン絶縁体行動を示せるか？
• RQ5 ホールドーピングによって、バルクバンドに複数のワイルノードを有するワイル半金属相が誘起され、輸送および分光測定によって裏付けられるか？

主な発見

• MnSb6Te10 は、磁性競合が強いことにより安定化された壊れやすい強磁性基底状態を示し、磁気輸送測定および第一原理計算により確認された。
• 加熱により反強磁性相およびZ2反強磁性トポロジカル絶縁体相に遷移するが、これは熱的に駆動される磁性再配置を示している。
• 強磁性基底状態および磁場誘起スピン極化FM相の両方において、MnSb6Te10 は逆転対称性保護されたアキソン絶縁体相を有している。
• ホールドーピングにより、バルクバンドに複数のワイルノードを有するワイル半金属相にシステムが遷移し、顕著な内部的異常ホール効果によって裏付けられた。
• 観測された異常ホール信号は内部的で強く、強いスピン-運動量ロックとトポロジカルバンド構造を示している。
• 1つのバルク結晶内で強磁性、アキソン絶縁体、ワイル半金属といった複数のトポロジカル相を有する能力は、外部パラメータによる高いチューナビリティを示している。