[논문 리뷰] Dimensional Crossover Induced Topological Hall Effect in a Magnetic Topological Insulator

Chang Liu, Yunyi Zang외 6명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 24.

Topological Materials and Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 4-쿼ınt플렛 레이어(QL) 두께에서 차원 교차에 의해 발생하는 표면 상태 결합에 의해 자기 스카이크미온을 안정화시키며, Mn 도핑된 Bi2Te3 박막에서 위상적 홀 효과(THE)가 나타남을 보여준다. THE는 3 QL에서 사라지며, 초박막 위상 절연체에서 표면 간 자기 상호작용에 의해 이끌어지는 두께에 의존하는 위상 전이임을 시사한다.

ABSTRACT

We report transport studies of Mn-doped Bi2Te3 topological insulator (TI) films with accurately controlled thickness grown by molecular beam epitaxy. We find that films thicker than 5 quintuple-layer (QL) exhibit the usual anomalous Hall effect for magnetic TIs. When the thickness is reduced to 4 QL, however, characteristic features associated with the topological Hall effect (THE) emerge. More surprisingly, the THE vanishes again when the film thickness is further reduced to 3 QL. Theoretical calculations demonstrate that the coupling between the top and bottom surface states at the dimensional crossover regime stabilizes the magnetic skyrmion structure that is responsible for the THE.

연구 동기 및 목표

• 분자비임피택스기반(MBE) 성장된 Mn 도핑 Bi2Te3 위상 절연체 필름의 두께에 따른 전자적 및 자기적 반응을 조사하기 위해.
• 초박막 필름에서 위상적 홀 효과(THE)의 발생을 규명하고, 차원 교차의 맥락에서 그 기원을 이해하기 위해.
• THE를 일으키는 자기 스카이크미온 구조를 안정화시키는 표면 상태 결합의 역할을 탐색하기 위해.
• 자기 위상 절연체에서 비정상적 홀 효과와 위상적 홀 효과의 두께에 따른 변화를 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 분자비임피택스기반(MBE)을 사용하여 3에서 5 쿼ınt플렛 레이어(QL) 범위의 두께를 원자층 정밀도로 제어한 Mn 도핑 Bi2Te3 필름을 성장시켰다.
• 홀 저항도 측정을 포함한 전기적 측정을 수행하여, 다양한 두께에서 비정상적 홀 효과(AHE)와 위상적 홀 효과(THE) 기여도를 추출하였다.
• 4 QL 영역에서 상부 및 하부 표면 상태 간의 결합을 분석하기 위해 이론적 모델링을 수행하였으며, 이는 스카이크미온 형성과 연결되었다.
• 이론적 계산을 통해 표면 간 교환 상호작용이 나선형 자기 구조를 안정화시켜 관측된 THE를 가능하게 함을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Mn 도핑 Bi2Te3 위상 절연체 필름에서 홀 효과의 두께 의존성은 무엇인가요?
• RQ2 왜 위상적 홀 효과는 3 또는 5 QL이 아닌 정확히 4 QL에서만 나타나나요?
• RQ3 2D 표면 상태 간의 차원 교차가 초박막 위상 절연체에서 자기 구조 형성에 어떻게 영향을 미치나요?
• RQ4 표면 간 상호작용이 THE를 일으키는 스카이크미온형 스핀 구조를 안정화시키는 데서 수행하는 역할은 무엇인가요?
• RQ5 관측된 THE는 전통적인 AHE가 아니라 위상 기원에 기인한 것일 수 있나요?

주요 결과

• 4-QL Mn 도핑 Bi2Te3 필름에서 위상적 홀 효과(THE)가 뚜렷하게 나타나며, 비동축 스핀 구조의 존재를 시사한다.
• 3-QL 필름에서는 THE가 사라지며, 위상 스핀 구조의 발생을 위한 임계 두께 임계값임을 나타낸다.
• 5-QL 필름에서는 오직 전통적인 비정상적 홀 효과(AHE)만 관측되며, 두꺼운 필름에서는 위상적 홀 반응이 없음을 확인한다.
• 이론적 분석은 4-QL 영역에서 표면 간 상호작용이 자기 스카이크미온을 안정화시키며, 이는 관측된 THE의 원인임을 확인한다.
• 4 QL에서의 차원 교차는 표면 상태의 강한 하이브리드화와 나선형 스핀 정렬에 의해 비정상적 AHE에서 비정상적 THE로의 전이를 유도한다.