[논문 리뷰] Half-quantized anomalous Hall effect in magnetic axion insulator MnBi$_2$Te$_4$/(Bi$_2$Te$_3$)$_n$

Mingqiang Gu, Jiayu Li외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 28.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 31인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 자화 및 다층 간 상호작용을 조절함으로써 MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)ₙ 이방성 구조에서 표면에서 반정량화된 비정상 홀 효과를 가진 토폴로지적 아크시온 절연체 상을 갖는다는 것을 입증한다. 최초 원리 및 모델 해밀토니안 계산을 통해 3차원 토폴로지적 위상 다이어그램을 규명하였으며, 표면 비정상 홀 전도도는 e²/2h에 국소화되어 있어 장기적으로 탐색되어 온 반정량화된 비정상 홀 효과를 관찰할 수 있는 실현 가능한 플랫폼을 제공한다.

ABSTRACT

The rising of topological materials MnBi$_2$Te$_4$/(Bi$_2$Te$_3$)$_n$ with built-in magnetization provides a great platform for the realization of long-sought axion insulators with time-reversal breaking. As the direct evidence of the quantized bulk magnetoelectric coupling, half-quantized anomalous Hall effect at the gapped surface are predicted in axion insulators based on simplified models, yet to be realized. Using both model Hamiltonian and first-principles calculations, we demonstrate that by tailoring the magnetization and interlayer electron hopping, a rich three-dimensional topological phase diagram can be established based on MnBi$_2$Te$_4$/(Bi$_2$Te$_3$)$_n$ systems. It includes three types of topologically distinct insulating phases bridged by a Weyl semimetal phase. Among them, we find that the surface anomalous Hall conductivity in the axion-insulator phase is a well-localized quantity either saturated at or oscillating around $e^2/2h$, depending on the magnetic homogeneity. With the discussion of the experimental prerequisites and proposals, our study is significant step forward towards the realization of half-quantized surface anomalous Hall effect in realistic material systems.

연구 동기 및 목표

• 자화 및 다층 간 상호작용을 조절하여 MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)ₙ 이방성 구조에서 3차원 토폴로지적 위상 다이어그램을 수립하기 위해.
• 아크시온 절연체 상이 표면 비정상 홀 전도도가 잘 국소화된 조건에서 나타나는지를 규명하기 위해.
• 실제 물질계에서 반정량화된 비정상 홀 효과를 실현하기 위한 이론적 프레임워크를 제공하기 위해.
• 자기적 균일성과 다층 결합 효과를 분석하여 단순 모델과 실험 가능성 사이의 격차를 메우기 위해.
• MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)ₙ에서 반정량화된 비정상 홀 효과를 관측하기 위한 실험적 조건을 제안하기 위해.

제안 방법

• 조절 가능한 자화와 다층 간 상호작용을 갖는 MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)ₙ 수퍼격자 구조의 전자 구조를 기술하기 위해 모델 해밀토니안을 사용하기 위해.
• 모델 예측을 검증하고 시스템의 전자적 및 토폴로지적 성질을 평가하기 위해 최초 원리 계산을 사용하기 위해.
• 자기적 질서와 다층 결합을 함수로 하여 표면 비정상 홀 전도도를 분석하여 아크시온 절연체 상을 규명하기 위해.
• 토폴로지적 불변량을 계산하고 절연체, 와일 세미메탈, 토폴로지적 절연체 상 사이의 전이를 식별함으로써 위상 다이어그램을 매핑하기 위해.
• 자기적 균일성과 다층 결합의 변화에 따른 반정량화된 비정상 홀 효과의 강건성을 평가하기 위해.
• 이론적 예측을 실험적 요구사항과 비교하여 실제 물질에서 비정상 홀 효과를 측정하기 위한 향후 측정을 안내하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자화 및 다층 간 상호작용을 제어함으로써 MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)ₙ 이방성 구조에서 반정량화된 비정상 홀 효과를 가진 아크시온 절연체 상을 실현할 수 있는가?
• RQ2 자기적 비균일성은 아크시온 절연체 상에서 표면 비정상 홀 전도도의 국소화와 양자화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)ₙ의 전체 토폴로지적 위상 다이어그램은 무엇이며, 절연체, 와일 세미메탈, 토폴로지적 상 간의 상호작용는 어떠한가?
• RQ4 이 시스템에서 반정량화된 비정상 홀 효과의 발생을 결정짓는 주요 물성 매개변수들은 무엇인가?
• RQ5 MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)ₙ에서 반정량화된 비정상 홀 효과를 탐지하기 위해 필요한 실험 조건는 무엇인가?

주요 결과

• MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)ₙ의 아크시온 절연체 상은 표면 비정상 홀 전도도가 자화의 균일성에 따라 e²/2h에 포화되거나 그 주위를 진동하는 특성을 보인다.
• 다양한 상호작용 조건에서 세 가지 토폴로지적으로 구별되는 절연체 상이 포함된 풍부한 3차원 토폴로지적 위상 다이어그램이 확립되었다.
• 자기적 질서가 균일할 경우 반정량화된 비정상 홀 효과는 실용적인 조건에서도 강건하여 실험적 실현 가능성을 시사한다.
• 최초 원리 계산은 모델 해밀토니안의 예측을 확인하였으며, 양자화된 표면 반응을 갖는 아크시온 절연체 상의 존재를 검증하였다.
• 표면 비정상 홀 전도도가 잘 국소화된 양으로서, 아크시온 절연체 상을 식별하는 신뢰할 수 있는 서명으로서의 역할을 한다.
• 반정량화된 비정상 홀 효과를 관측하기 위한 핵심 물성 매개변수와 조건을 규명함으로써 실험적 실현을 위한 명확한 길을 제시하였다.