[論文レビュー] Visualization of superparamagnetic dynamics in magnetic topological insulators

Ella Lachman, Andrea F. Young+11 more|eScholarship (California Digital Library)|Jun 16, 2015

Magnetic properties of thin films被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、スキャンnanoSQUID顕微鏡を用いてCrドーピングされた（Bi,Sb）2Te3薄膜におけるスーパーパラマグネティックなダイナミクスを可視化し、量子異常ホール（QAH）プラトー遷移が、弱く相互作用する磁化ドメイン（約30–50 nm）のランダムな反転によって駆動されていることを明らかにした。予想に反して、ゲート電圧の変動が磁化緩和を顕著に増幅させることを示し、電子的ダイナミクスが磁気的秩序に影響を与える逆方向の結合が存在することを示し、トポロジカル相転移における普遍スケーリングに疑問を呈する。

ABSTRACT

Quantized Hall conductance is a generic feature of two dimensional electronic systems with broken time reversal symmetry. In the quantum anomalous Hall state recently discovered in magnetic topological insulators, time reversal symmetry is believed to be broken by long-range ferromagnetic order, with quantized resistance observed even at zero external magnetic field. Here, we use scanning nanoSQUID magnetic imaging to provide a direct visualization of the dynamics of the quantum phase transition between the two anomalous Hall plateaus in a Cr-doped (Bi,Sb)$_2$Te$_3$ thin film. Contrary to naive expectations based upon macroscopic magnetometry, our measurements reveal a superparamagnetic state formed by weakly interacting magnetic domains with a characteristic size of few tens of nanometers. The magnetic phase transition occurs through random reversals of these local moments, which drive the electronic Hall plateau transition. Surprisingly, we find that the electronic system can in turn drive the dynamics of the magnetic system, revealing a subtle interplay between the two coupled quantum phase transitions.

研究の動機と目的

• 磁性トポロジカル絶縁体における量子異常ホール（QAH）プラトー遷移の背後にある磁気的ダイナミクスを直接可視化すること。
• 通常はバルク測定による輸送測定でのみ調べられる電子的および磁気的相転移の役割を解きほぐすこと。
• 時間反転対称性が破れている系において、ゲート電圧による電子的制御が磁気的緩和および準安定ドメインダイナミクスに与える影響を調査すること。
• QAHプラトー遷移が、動的磁気的不規則性のため普遍スケーリングから逸脱するかどうかを検証すること。

提案手法

• 3 He温度下で200 nmの空間分解能を有するスキャンSQUID・オン・チップ（SOT）顕微鏡を用いて、局所的な磁束密度（Bz）をマッピングする。
• 磁場およびゲート電圧のスイープ中に、同時に電子的輸送測定（Rxx, Rxy）と磁気像を取得する。
• 磁気的緩和ダイナミクスへの応答を調査するため、小さなバックゲート電圧の変動（ΔVg ~1–30 V）を適用する。
• 磁場およびゲート電圧をパラメータとする輸送係数（Rxx, Rxy）のパラメトリックプロットを用いて、普遍的関係および緩和経路を明らかにする。
• ゲート電圧および磁場条件を変化させた際の磁気モーメント反転イベントの統計的解析により、緩和ダイナミクスを定量的に評価する。
• 磁気像と輸送データの比較を通じて、電子的および磁気的サブシステム間の結合を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弱い相互作用を示す磁気ドメインのダイナミクスは、Crドーピングされた（Bi,Sb）2Te3薄膜における量子異常ホールプラトー遷移をどのように支配しているか？
• RQ2 ゲート電圧の制御が、スーパーパラマグネティックな磁気ドメインの緩和に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ3 平均磁化とコercitive field（130 mT）が安定しているにもかかわらず、なぜ強い磁化緩和が観測されるのか？
• RQ4 観測された輸送ヒステリシスは、内在的な電子的相転移ではなく、磁気的ダイナミクスによって説明可能か？
• RQ5 電子的および磁気的サブシステムの相互作用は、QAHプラトー遷移の普遍性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 磁気的相転移は、一貫したドメイン境界の移動ではなく、特徴的なサイズが30–50 nmの弱く相互作用するスーパーパラマグネティックな島のランダムな反転によって進行する。
• 完全な磁化飽和状態（1 T）においても、サブミクロンスケールの磁気的不均一性が残存しており、Crドーピングの不均一な分布が示唆される。
• わずか±1 Vのゲート電圧変動でも、磁気的緩和が顕著に増幅されることを示し、電子的自由度と磁気的自由度の間の強い逆方向結合が存在することが明らかになった。
• パラメトリックプロットにおいて、輸送係数が一定のVgに沿った弧に沿って緩和するため、磁気的緩和が時間的変化を上回ることが示され、SQUID像と整合的である。
• 大規模なゲート電圧スイープ（±30 V）においても、コercitive fieldはほぼ一定（~130 mT）のままであり、平均磁化が安定している一方で、強い緩和効果が観測されることを示している。
• 特にHc = 130 mT付近で、繰り返しゲート電圧スイープを行うと不可逆的な磁化変化が観測され、エネルギー障壁が低い準安定なスーパーパラマグネティック状態が存在することが示された。