[논문 리뷰] Helical Chern insulator phase with broken time-reversal symmetry in MnBi$_2$Te$_4$

Chang Liu, Yongchao Wang외 12명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 23.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 31인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 높은 자기장과 게이트 전압 조절에 의해 안정화된 시간역행 대칭이 깨진 상태에서 MnBi₂Te₄에서 새로운 나선형 초전도체 톱올로지 절연체 상을 발견하였다. 이 상은 반대 방향으로 흐르는 초전도 밴드(C = -1 및 C = +1)의 공존으로 인해 강력한 C = 0 상태를 나타내며, 비국소적 전도도 측정과 -3에서 +2까지의 초전도 수준을 포함한 홀 플랫선이 이를 확인하였다. 이는 자기장에 의한 조절을 통해 톱올로지 밴드 구조를 설계하는 새로운 길을 제시한다.

ABSTRACT

A perpetual quest in the field of topological quantum matter is to search for electronic phases with unprecedented band topology and transport phenomena. The most prominent example is the discovery of topological insulators, in which band inversion leads to topologically nontrivial bulk electronic structure and metallic boundary states. In two-dimensional topological insulators with time-reversal symmetry, a pair of helical edge states gives rise to the quantum spin Hall effect. When the time-reversal symmetry is broken by magnetic order, only one chiral edge mode remains and the quantum anomalous Hall effect emerges in zero magnetic field. This quantum Hall phase without Landau levels, first observed in magnetically doped topological insulators, is now called the Chern insulator. The recently discovered MnBi2Te4 combines intrinsic magnetism and nontrivial topology in one material, providing an ideal platform for exploring novel topological phases. Here, we investigate the transport properties of exfoliated MnBi2Te4 in exceedingly high magnetic fields up to 60 T. By varying the gate voltage, we observe systematic and yet uniquely complex evolution of quantized Hall plateaus with Chern numbers from C = -3 to +2. More surprisingly, a novel phase characterized by an extremely broad zero Hall plateau emerges as the most robust ground state in the high field limit. Theoretical calculations reveal that this C = 0 phase arises from the coexistence of a connate Chern band with C = -1 and a Zeeman-effect-induced Chern band with C = +1, as corroborated by nonlocal transport measurements. This helical Chern insulator phase with broken time-reversal symmetry represents an unexpected new member of the quantum Hall family, and manifests a new route to change the band topology by using magnetic field.

연구 동기 및 목표

• MnBi₂Te₄와 같은 내재된 자기성 톱올로지 절연체에서 새로운 톱올로지 양자 상을 탐색하기 위해.
• 강한 자기장과 전기적 게이팅이 밴드 위상과 특이한 양자 홀 상태를 유도하는 방식을 조사하기 위해.
• 시간역행 대칭이 깨지고 특이하게 넓은 영역의 영 홀 플랫선을 보이는 새로운 양자 상을 식별하고 특성화하기 위해.
• 고자기장 조건에서 C = 0 상태가 강력하게 유지되는 원인을 전도도 및 이론적 분석을 통해 규명하기 위해.

제안 방법

• 60 T에 이르는 높은 자기장을 적용하여, 초전도 조건에서의 양자 전도도를 탐색하기 위해 분리된 MnBi₂Te₄ 플레이크를 사용하였다.
• 운반자 농도를 조절하고 전자 상태를 제어하기 위해 게이트 전압을 체계적으로 변화시켜, 다양한 초전도 수준에 도달할 수 있도록 하였다.
• 정량화된 홀 저항 측정을 통해 C = -3에서 +2까지의 초전도 수준을 식별하였으며, 특히 영 홀 플랫선의 진화와 안정성에 초점을 맞추었다.
• 비국소적 전도도 측정을 통해 나선형 에지 상태의 존재를 확인하고, 부스터와 에지 기여를 구별하였다.
• 이론적 모델링을 통해 C = 0 상이 내재된 C = -1 초전도 밴드와 제이만 분리된 C = +1 밴드의 공존으로 설명됨을 제시하였다.
• 내재된 자기성, 밴드 역전 및 자기장에 의해 유도된 수준 분리 간의 상호작용을 분석하여, 나선형 초전도체 절연체의 발생 원리를 설명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고자기장과 게이트 조절 조건에서 MnBi₂Te₄에서 어떤 톱올로지 상이 나타나며, 기존의 초전도체 절연체와 어떻게 다를까?
• RQ2 순수한 초전도 수준이 없음에도 불구하고 고자기장 한계에서 넓고 강력한 영 홀 플랫선이 기초 상태로 나타나는 이유는 무엇인가?
• RQ3 내재된 초전도 밴드와 제이만에 의해 유도된 초전도 밴드 간의 경쟁적 기여가 C = 0 상태를 어떻게 형성하고, 이 상태가 톱올로지 보호를 받는가?
• RQ4 이 시스템에서 비국소적 전도도 측정이 에지 상태와 부스터 전도도를 어떻게 구별하는가?
• RQ5 C = -1과 C = +1 초전도 밴드의 공존이 관측된 톱올로지 상 전이와 안정성에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 60 T에 이르는 고자기장에서 매우 넓은 영 홀 플랫선을 보이는 새로운 C = 0 상이 가장 강력한 기초 상태로 나타났다.
• 게이트 전압 조절에 따라 C = -3에서 +2까지의 정량화된 홀 플랫선이 체계적으로 변화하는 것이 관측되었다.
• 이론적 모델링을 통해 C = 0 상이 내재된 C = -1 초전도 밴드와 제이만 분리된 C = +1 밴드의 공존으로 안정화됨을 확인하였다.
• 비국소적 전도도 측정을 통해 C = 0 상에서 나선형 에지 상태의 직접적 증거를 확보하였으며, 순수한 초전도 수준이 0임에도 불구하고 톱올로지 보호가 유지됨을 시사하였다.
• 나선형 초전도체 절연체 상은 시간역행 대칭이 깨지고, 양자 홀 가문의 새로운 구성원으로서 특징지어진다.
• 자기장은 밴드 위상을 설계하는 데 조절 가능한 매개변수로 작용하며, 자기장에 의해 유도된 밴드 교차를 통해 새로운 톱올로지 상태가 나타남을 가능하게 한다.