[논문 리뷰] Giant nonlocal edge conduction in the axion insulator state of MnBi2Te4

Yaoxin Li, Chang Liu외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 21.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 시마틱스 절연체 상태에 있을 때 몇 나노미터 두께의 MnBi2Te4 플레이크에서 거대한 비국소 경계 전도가 발생함을 보여주며, 이는 시간역전 대칭에 의해 보호되는 나선형 힌지 전류에서 기인한다. 비국소 신호는 홀수 치환층을 가진 장치에서는 강하게 억제되며, 이는 표면 간 접합부에서 경계 채널을 통한 전도의 토폴로지 기원을 확인하는 데서 이론적 모델링에 의해 지지된다.

ABSTRACT

The recently discovered antiferromagnetic (AFM) topological insulator (TI) MnBi2Te4 represents a versatile material platform for exploring exotic topological quantum phenomena in nanoscale devices. It has been proposed that even-septuple-layer (even-SL) MnBi2Te4 can host helical hinge currents with unique nonlocal behavior, but experimental confirmation is still lacking. In this work, we report transport studies of exfoliated MnBi2Te4 flakes with varied thicknesses down to the few-nanometer regime. We observe giant nonlocal transport signals in even-SL devices when the system is in the axion insulator state but vanishingly small nonlocal signal in the odd-SL devices at the same magnetic field range. In conjunction with theoretical calculations, we demonstrate that the nonlocal transport is via the helical edge currents mainly distributed at the hinges between the side and top/bottom surfaces. The helical edge currents in the axion insulator state may find unique applications in topological quantum devices.

연구 동기 및 목표

• MnBi2Te4의 시마틱스 절연체 상태에서 나선형 힌지 전류의 존재를 실험적으로 검증하는 것.
• 몇 나노미터 두께에 이르는 에폭시된 MnBi2Te4 플레이크에서 두께에 따른 전도 특성의 변화를 조사하는 것.
• 토폴로지 경계 상태와 비틀림 없이 표면 상태 또는 부피 상태에 기인한 비국소 전도 기여를 구분하는 것.
• 시마틱스 절연체 상과 양자화된 비국소 경계 전도 사이의 직접적인 연관성을 확립하는 것.

제안 방법

• 몇 치환층에 이르는 제어된 두께로 MnBi2Te4 플레이크를 기계적 에폭시하여 제작하는 것.
• 자기장 하에서 비국소 전압 반응을 측정하기 위해 사전단자 구성을 사용한 전도 측정.
• 정량화된 전자기 응답을 특징으로 하는 시마틱스 절연체 상태로 시스템을 조정하기 위해 자기장을 적용하는 것.
• 짝수 및 홀수 치환층 장치 간의 비국소 신호를 비교하여 토폴로지 기여를 분리하는 것.
• 상하 표면 및 측면 표면 간 힌지에서의 경계 상태 분포 및 전류 흐름을 이론적으로 모델링하는 것.
• 자기장 및 샘플 두께에 따른 비국소 저항의 분석을 통해 토폴로지 서명을 식별하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MnBi2Te4의 시마틱스 절연체 상태에서 비국소 경계 전도를 실험적으로 관찰할 수 있는가?
• RQ2 MnBi2Te4의 비국소 전도 신호는 치환층 수에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 비국소 신호의 공간적 기원은 무엇인가? 특히 전류는 힌지에 국한되어 있는가?
• RQ4 이론적으로 예측한 바와 같이, 홀수 치환층 장치에서 비국소 신호가 억제되는가?
• RQ5 나선형 경계 상태는 관측된 비국소 전도에 어느 정도 기여하는가?

주요 결과

• 시스템이 시마틱스 절연체 상태일 때, 짝수 치환층을 가진 MnBi2Te4 플레이크에서 거대한 비국소 전도 신호가 관측된다.
• 동일한 자기장 조건에서 홀수 치환층 장치에서는 비국소 신호가 사라지며, 이는 토폴로지 기원을 시사한다.
• 비국소 응답은 상하 및 측면 표면 간 접합부에 국한된 나선형 경계 전류에 기인한다.
• 이론적 계산은 경계 전류가 스핀 균형을 이루며 시간역전 대칭에 의해 보호된다는 것을 확인한다.
• 관측된 비국소 전도도는 비틀림 없거나 부피 기여에 비해 수 개의 주기수만큼 더 크다.
• 결과는 MnBi2Te4의 시마틱스 절연체 상에서 나선형 힌지 전류 존재에 대한 직접적인 실험적 증거를 제공한다.