[論文レビュー] Variety of magnetic topological phases in the (MnBi$_2$Te$_4$)(Bi$_2$Te$_3$)$_m$ family

И. И. Климовских, M. M. Otrokov+24 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 69被引用数 38

ひとこと要約

この論文は、内在的磁性トポロジー絶縁体の tunable 系列 MnBi2Te4(Bi2Te3)m を示し、AFM から FM への結合のクロスオーバーと、m≥3 では局所的に秩序化された2D磁性状態とトポロジカル表面状態の保存を示す。

ABSTRACT

Quantum states of matter combining non-trivial topology and magnetism attract a lot of attention nowadays; the special focus is on magnetic topological insulators (MTIs) featuring quantum anomalous Hall and axion insulator phases. Feasibility of many novel phenomena that \emph{intrinsic} magnetic TIs may host depends crucially on our ability to engineer and efficiently tune their electronic and magnetic structures. Here, using angle- and spin-resolved photoemission spectroscopy along with \emph{ab initio} calculations we report on a large family of intrinsic magnetic TIs in the homologous series of the van der Waals compounds (MnBi$_2$Te$_4$)(Bi$_2$Te$_3$)$_m$ with $m=0, ..., 6$. Magnetic, electronic and, consequently, topological properties of these materials depend strongly on the $m$ value and are thus highly tunable. The antiferromagnetic (AFM) coupling between the neighboring Mn layers strongly weakens on moving from MnBi2Te4 (m=0) to MnBi4Te7 (m=1), changes to ferromagnetic (FM) one in MnBi6Te10 (m=2) and disappears with further increase in m. In this way, the AFM and FM TI states are respectively realized in the $m=0,1$ and $m=2$ cases, while for $m \ge 3$ a novel and hitherto-unknown topologically-nontrivial phase arises, in which below the corresponding critical temperature the magnetizations of the non-interacting 2D ferromagnets, formed by the \MBT\, building blocks, are disordered along the third direction. The variety of intrinsic magnetic TI phases in (MnBi$_2$Te$_4$)(Bi$_2$Te$_3$)$_m$ allows efficient engineering of functional van der Waals heterostructures for topological quantum computation, as well as antiferromagnetic and 2D spintronics.

研究の動機と目的

• 層間結合を可変にできる内在的磁性トポロジー絶縁体の探索を動機づける。
• 非磁性スペーサー m を変えることで磁性秩序とトポロジー特性がどう変化するかを調べる。
• MnBi2Te4(Bi2Te3)m 系の表面状態とディラック円錐の挙動を特徴づける。
• vdWヘテロ構造を用いたトポロジカル量子計算と2Dスピンエレクトロニクスへの潜在性を示す。

提案手法

• 角度解像・スピン分解光電子分光法（ARPESおよびspin-ARPES）と第一原理DFT計算を組み合わせて電子・磁気構造を写像する。
• 温度と磁場に対する磁化計測（SQUID）と抵抗測定を通じて磁性秩序を分析する。
• Mn 3d 状態に対してGGA+Uを用い、スピン軌道結合と van der Waals 補正（DFT-D2/DFT-D3）を含めてDFTを適用する。
• FMおよびAFM配置の全エネルギーを計算して層間交換傾向と磁気異方性エネルギーを抽出する。
• 異なる終端（SL vs QL）の表面電子構造をモデル化し、ARPESと比較して表面状態を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MnBi2Te4層間のスペーサー m を増やすと層間交換結合はどのように変化するか（AFM から FM へ、そして消失へ）？
• RQ2 m に応じてどのようなトポロジー相が現れるか（AFM TI、FM TI、2D disordered magnetic MTI）？
• RQ3 表面終端はこれらの材料のディラック表面状態とそのギャップにいかに影響を与えるか？
• RQ4 ARPES と DFT は MnBi2Te4(Bi2Te3)m 系全体でトポロジカル表面状態の存在と挙動を共同で明らかにできるか？
• RQ5 これらの tunable な相は QAH、アクシオン絶縁体、2Dスピントロニクス応用にどのような影響をもたらすか？

主な発見

• m=0 および m=1（MnBi2Te4 および MnBi4Te7）は反強磁性トポロジー絶縁体（AFM TI）状態を実現する。
• m=2（MnBi6Te10）は強磁性トポロジー絶縁体（FM TI）になる。
• m≥3 では層間交換はほとんど消失し、Tc 以下で [0001] 方向に沿って無秩序な磁化を伴う2D FM秩序ブロック構造を生じる。
• ARPESは表面終端に依存するディラックを持つトポロジカル表面状態を示し、MnBi6Te10 では FM 状態でディラック点ギャップを示す（DP1 ~0.22 eV at 60 K、SL終端で 1 K 時約 50 meV のギャップ）。
• MnBi4Te7 では、両方の S-breaking 表面で TSS がギャップを持つ（SL終端で約 70 meV のギャップ、QL 終端で複雑な回避交差を伴うギャップ）。
• DFT は AFM MnBi4Te7 のバルク帯ギャップ約 0.18 eV を確認し、Z2=1 AFM TI 状態（S = ΘT1/2）を予測し、実験 TSS 挙動と一致する。
• このシリーズは層間交換と表面状態のトポロジーを可変化させ、固有の QAH、アクシオン絶縁体、マジョラナ関連現象および 2D スピントロニクス応用を可能にする。