[논문 리뷰] Direct probe of ferromagnetic proximity effect at the interface in Fe/SnTe heterostructure by polarized neutron reflectometry

Ryota Akiyama, Ryo Ishikawa외 8명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 23.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 펄라라이즈드 중성자 반사측정(PNR)을 이용해 Fe/SnTe 이종접합에서의 강자성 인접효과(MPE)를 직접 탐사하여, 상전이 결정절연체인 SnTe 내에서 자성이 약 3 nm 깊이까지 실온에서도 유지됨을 입증한다. 결과는 자기적 도핑에 의한 불순물 없이 MPE를 통해 유도된 표면계의 자성과 함께, 양자 이상 홀 효과 및 아크시온 절연체 상태에 필수적인 위상적 표면 상태를 유지함을 확인한다.

ABSTRACT

Introducing magnetic order into a topological insulator (TI) system has been attracting much attention with an expectation of realizing exotic phenomena such as quantum anomalous Hall effect (QAHE) or axion insulator states. The magnetic proximity effect (MPE) is one of the promising schemes to induce the magnetic order on the surface of TI without introducing disorder accompanied by doping magnetic impurities in TI. In this study, we investigate the MPE at the interface of a heterostructure consisting of a topological crystalline insulator (TCI) SnTe and Fe by employing polarized neutron reflectometry. The ferromagnetic order penetrates $\sim$ 3 nm deep into the SnTe layer from the interface with Fe, which persists up to room temperature. Our findings demonstrate that the interfacial magnetism is induced by the MPE on the surface of TCI preserving the coherent topological states, which is essential for the bulk-edge correspondence, without introducing disorder arising from a random distribution magnetic impurities. This opens up a way for realizing next generation electronics, spintronics, and quantum computational devices by making use of the characteristics of TCI.

연구 동기 및 목표

• 강자성 금속과 위상적 결정절연체(TCI)인 SnTe를 조합한 Fe/SnTe 이종구조의 인터페이스에서 자기 인접효과(MPE)를 조사하기 위해.
• MPE에 의해 유도된 자성이 SnTe 내에서 어느 정도 깊이까지 유지되는지, 특히 위상적 표면 상태를 유지할 수 있는지 규명하기 위해.
• 자기 도핑에 의한 불순물 없이 이종구조 기반 접근을 통해 깔끔한 인터페이스 자성을 확보함으로써 위상적 양자현상에 필수적인 조건을 만족시키기 위해.
• 위상적 양자스핀트로닉스 장치를 실현하기 위한 플랫폼을 확립하기 위해, 특히 양자 이상 홀 효과(QAHE) 또는 TCI 시스템에서의 아크시온 절연체 상태를 기반으로 한 무손실 스핀트로닉스 장치를 목표로 하기 위해.

제안 방법

• 최적의 온도에서 분자빔 에피택시(MBE)를 이용해 CdTe/GaAs(001) 기판 상에 단결정 Fe/SnTe 이종구조를 성장시켜 격자 일치를 확보하고 상호확산을 방지하기 위해.
• 에피택셜 성장 및 이종구조의 구조적 품질을 확인하기 위해 반사 고에너지 전자 회절(RHEED) 및 X선 회절(XRD)을 사용하기 위해.
• 에피택셜 관계와 Fe 및 SnTe 계면의 급격한 경계를 확인하기 위해 횡단형 투과전자현미경(TEM) 및 선택적 영역 전자현미분(TED)을 활용하기 위해.
• 펄스형 고도로 펄라라이즈된 중성자 비임(자기분극도 >98.5%)을 사용한 J-PARC MLF BL17 SHARAKU 비임선에서의 펄라라이즈드 중성자 반사측정(PNR)을 통해 깊이 해상도를 가진 자화 프로파일을 측정하기 위해.
• 최소 제곱법 피팅을 통해 Motofit 프로그램을 사용하여 PNR 데이터와 X선 반사측정(XRR)을 결합함으로써 구조적 프로파일과 자기적 프로파일을 분리하기 위해.
• 중성자 스핀을 정렬하기 위해 표면 평행 방향으로 외부 자기장(10 kOe)을 적용하여 자기산란 길이 밀도를 측정하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Fe에서 유도된 강자성 질서는 MPE를 통해 SnTe 층에 어느 정도 깊이까지 침투하는가?
• RQ2 SnTe 내에서 유도된 자성이 실온까지 유지되는가? 이는 강력한 인터페이스 결합을 시사하는가?
• RQ3 자기 도핑에 의한 불순물 없이 MPE를 확립할 수 있는가? 이는 SnTe의 위상적 성질을 유지하는가?
• RQ4 SnTe 내 자화 프로파일은 혼합 또는 제2상이 없는 깨끗하고 급격한 인터페이스를 반영하는가?
• RQ5 기본적인 Z2 위상적 절연체인 Bi2Se3와 비교해, TCI인 SnTe에서의 MPE 깊이는 어떻게 되는가?

주요 결과

• 편극 중성자 반사측정을 통해 직접 측정된 결과, MPE에 의해 유도된 강자성 질서가 Fe/SnTe 인터페이스에서 SnTe 층으로 약 3 nm 깊이까지 침투함을 입증하였다.
• 유도된 자성이 실온까지 유지됨을 확인하여 강력한 인터페이스 결합이 존재하고, 실온에서의 위상적 스핀트로닉스 응용 가능성을 시사한다.
• 고해상도 TEM 및 TED 분석을 통해 Fe와 SnTe 사이의 인터페이스는 급격하고 관측 가능한 혼합 또는 확산이 없음이 확인되었다.
• 자화 프로파일은 두 개의 가우시안 피크의 초월합으로 잘 기술되며, 명확한 인터페이스 자기층의 존재를 시사한다.
• SnTe에서의 인접 깊이(~3 nm)는 Bi2Se3에서 관측된 것과 유사하거나 더 깊으며, 이는 TCI에서 MPE가 강화되었음을 시사한다.
• 결과는 SnTe의 위상적 표면 상태가 유도된 자성에 의해 영향을 받지 않고 유지됨을 확인하여 QAHE 및 아크시온 절연체 상태에 필수적인 밀도-모서리 대응 원리를 유지함을 입증한다.