[논문 리뷰] Delicate Ferromagnetism in MnBi$_6$Te$_{10}$

Chenhui Yan, Yanglin Zhu외 10명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 16.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 36인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 MnBi₆Te₁₀에서 Mn 비스패시티와 Mn 이동에 의해 매개되는 비정질성에 의한 반강자성을 입증한다. 이는 디랙 점에서 15 meV 갭을 가진 조절 가능한 반강자성 기저 상태를 안정화시킨다. ARPES, TEM 및 자화 측정을 통해 13 K의 투리 온도를 확인하고, 반강자성 상에서 대칭성 파괴 갭이 있는 토폴로지적 표면 상태를 확인한다. 반면, 반자성 상은 모든 종단에서 갭이 없는 것으로 나타났다.

ABSTRACT

Tailoring magnetic orders in topological insulators is critical to the realization of topological quantum phenomena. An outstanding challenge is to find a material where atomic defects lead to tunable magnetic orders while maintaining a nontrivial topology. Here, by combining magnetization measurements, angle-resolved photoemission spectroscopy, and transmission electron microscopy, we reveal disorder-enabled, tunable magnetic ground states in MnBi$_6$Te$_{10}$. In the ferromagnetic phase, an energy gap of 15 meV is resolved at the Dirac point on the MnBi$_2$Te$_4$ termination. In contrast, antiferromagnetic MnBi$_6$Te$_{10}$ exhibits gapless topological surface states on all terminations. Transmission electron microscopy and magnetization measurements reveal substantial Mn vacancies and Mn migration in ferromagnetic MnBi$_6$Te$_{10}$. We provide a conceptual framework where a cooperative interplay of these defects drives a delicate change of overall magnetic ground state energies, and leads to tunable magnetic topological orders. Our work provides a clear pathway for nanoscale defect-engineering towards the realization of topological quantum phases.

연구 동기 및 목표

• MnBi₂Te₄ 유도체에서 비정질 토폴로지적 절연체 상이 유지하는 비정질 위상 성질을 규명하고 특성화하는 것.
• 원자 척도 결함—특히 Mn 비스패시티와 Mn 이동—이 다층 간 자성 상호작용을 어떻게 조절하는지 조사하는 것.
• 비정질성이 스핀-오비트 결합이나 토폴로지적 보호를 손상시키지 않고도 반강자성 기저 상태를 안정화시킬 수 있는지 판단하는 것.
• 결함 공학과 MnBi₂Te₄ 유도체에서 조절 가능한 자성 토폴로지적 상 사이의 직접적 연관성을 설정하는 것.

제안 방법

• MnBi₆Te₁₀의 다양한 표면 종단에서 전자 밴드 구조를 맵핑하기 위해 고해상도 레이저 기반 각도 분해 광전자 방출 분석(ARPES)을 수행하였다.
• Mn 비스패시티와 다층 간 Mn 이동을 직접 시각화하기 위해 애너귤러 다크 필드(ADF-STEM) 영상 기반 투과전자현미경(TEM)을 실시하였다.
• 자기 순도 전이 온도(T_C)와 자성 상전이를 규명하기 위해 영구자기장 제거(Zero-field-cooled, ZFC) 및 자기장 제거(FC) 자기화율 측정을 수행하였다.
• c축 및 ab면 자기장 하에서 이sovothermal 자화 곡선을 확보하여 반강자성 정렬과 이방성을 확인하였다.
• FM 및 AFM MnBi₆Te₁₀ 샘플의 구조적 완전성과 상 순도를 확인하기 위해 X선 회절(XRD)을 수행하였다.
• Mn 비스패시티와 Mn 이동 간의 결함 매개 상호작용을 기반으로 한 개념적 프레임워크를 적용하여 조절 가능한 자성 기저 상태를 설명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MnBi₆Te₁₀의 원자 결함이 비정질 위상 성질을 유지하면서 안정적인 반강자성 기저 상태를 유도할 수 있는가?
• RQ2 Mn 비스패시티와 Mn 이동은 MnBi₆Te₁₀의 다층 간 자성 결합을 어떻게 변화시키는가?
• RQ3 ARPES로 확인된 바와 같이, MnBi₆Te₁₀의 반강자성 상은 디랙 점에서 대칭성 파괴 갭을 갖는가?
• RQ4 다양한 표면 종단에서 반강자성과 반자성 MnBi₆Te₁₀의 자성 및 전자적 성질은 어떻게 다름을 보이는가?
• RQ5 MnBi₆Te₁₀에서 결함 공학을 통해 자성 전이 온도(T_C)를 조절할 수 있는가?

주요 결과

• MnBi₆Te₁₀에서 반강자성 기저 상태는 13 K의 투리 온도에서 안정화되며, MnBi₂Te₄ 유도체 중에서 보고된 바 중 가장 높은 온도이다.
• ARPES 측정 결과, 반강자성 상에서 MnBi₂Te₄(MBT) 종단에서 디랙 점에서 15 meV 에너지 갭이 관측되었으며, 이는 투리 온도와 일치한다.
• 반면, 반자성 상은 어떤 표면 종단에서도 측정 가능한 에너지 갭이 없었으며, 갭이 없는 토폴로지적 표면 상태임을 확인하였다.
• ADF-STEM 영상에서 MBT 계면에서 Mn 비스패시티와 반강자성 상에서 MBT 계면에서 Bi₂Te₃ 계면으로의 Mn 이동을 직접 시각화하였다.
• 자기화율 측정에서 반자성 상에서는 10.2 K에서 날카로운 Λ-형 피크를 보이며 장거리 반자성 전이를 나타내었다.
• Mn 비스패시티와 Mn 이동 간의 상호작용이 다층 간 반자성 결합을 감소시켜 조절 가능한 자성 토폴로지적 상을 가능하게 하는 개념적 프레임워크를 제안하였다.