[논문 리뷰] Intertwined Topological and Magnetic Orders in Atomically Thin Chern Insulator MnBi2Te4

Dmitry Ovchinnikov, Xiong Huang외 16명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 01.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 자성장에 의해 유도된 기울인 자성 순서에 의해 유도된 원자 두께의 MnBi2Te4에서 연속적이고 조절 가능한 위상상 전이를 규명한다. 이는 밴드 교차와 갭 재개방을 수반하며, 위상 불변량의 변화와 정확히 일치한다. 놀랍게도, 짝수층과 홀수층 모두 유사한 위상상 전이를 보이며, 이는 이 카이너 절연체에서 층수에 따라 달라지는 행동에 대한 이론적·실험적 가정을 도전한다.

ABSTRACT

The interplay between band topology and magnetic order plays a key role in quantum states of matter. MnBi2Te4, a van der Waals magnet, has recently emerged as an exciting platform for exploring Chern insulator physics. Its layered antiferromagnetic order was predicted to enable even-odd layer-number dependent topological states, supported by promising edge transport measurements. Furthermore, it becomes a Chern insulator when all spins are aligned by an applied magnetic field. However, the evolution of the bulk electronic structure as the magnetic state is continuously tuned and its dependence on layer number remains unexplored. Here, employing multimodal probes, we establish one-to-one correspondence between bulk electronic structure, magnetic state, topological order, and layer thickness in atomically thin MnBi2Te4 devices. As the magnetic state is tuned through the canted magnetic phase, we observe a band crossing, i.e., the closing and reopening of the bulk bandgap, corresponding to the concurrent topological phase transition. Surprisingly, we find that the even- and odd-layer number devices exhibit a similar topological phase transition coupled to magnetic states, distinct from recent theoretical and experimental reports. Our findings shed new light on the interplay between band topology and magnetic order in this newly discovered topological magnet and validate the band crossing with concurrent measurements of topological invariant in a continuously tuned topological phase transition.

연구 동기 및 목표

• 원자 두께의 MnBi2Te4에서 밴드 위상과 자성 질서 간의 상호작용을 이해하기 위해.
• 소수의 MnBi2Te4에서 자성 상태를 연속적으로 조절함에 따라 부피 전자 구조가 어떻게 변화하는지 조사하기 위해.
• 이론적 예측과 이전 실험 보고서 사이의 층수 의존적 위상 행동에 대한 모순을 해결하기 위해.
• 다중 모드 탐측을 통해 자성 상태, 위상 질서, 층 두께 사이의 직접적 연관성을 확립하기 위해.
• 위상 불변량을 동시 측정함으로써 밴드 교차와 위상상 전이의 존재를 검증하기 위해.

제안 방법

• 전자적 및 자성적 성질에 접근하기 위해, 전도도 측정, 자기광학 스펙트로스코피, 자기장 조절을 포함한 다중 모드 실험적 탐측을 사용하였다.
• 제어된 층 수(짝수 및 홀수)를 가진 에클루이드된 원자 두께의 MnBi2Te4 장치를 제작하여 두께 의존적 행동을 탐측하였다.
• 외부 자기장을 적용하여 자성 상태를 반자성에서 기울인 상태로, 그리고 최종적으로 모든 스핀이 정렬된 완전한 극화 상태로 연속적으로 조절하였다.
• 전도도 및 광학 측정을 통해 부피 밴드 갭의 변화를 모니터링하여 밴드 갭의 닫힘과 재개방을 감지하였다.
• 관측된 밴드 교차와 대칭성 변화를 바탕으로 위상상 전이를 유추하였으며, 동시에 위상 불변량을 측정하여 전이가 내재적이며 잡음에 기인하지 않음을 확인하였다.
• 다양한 층 두께에서 자성 상태의 변화와 위상 질서의 변화를 연관시켜 보다 일반적인 행동을 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 자기장에 의한 연속적 자성 상태 조절에 따라 원자 두께의 MnBi2Te4에서 부피 전자 구조는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 특히 기울인 상태에서 자성 질서와 MnBi2Te4의 위상상 전이 간의 관계는 무엇인가?
• RQ3 일부 이론에서 예측한 바와 같이, 짝수층과 홀수층 MnBi2Te4는 서로 다른 위상상 전이 행동을 보일까?
• RQ4 연속적인 자기장 조절 과정 중에 밴드 교차와 관련된 위상 불변량의 변화를 실험적으로 관찰할 수 있는가?
• RQ5 층 두께는 MnBi2Te4에서 위상과 자성 간의 상호작용에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 기울인 자성 상에서 명백한 밴드 교차—부피 밴드 갭의 닫힘과 재개방을 통해 증명됨—가 관측되어 연속적인 위상상 전이를 시사한다.
• 동시 측정된 위상 불변량에 의해 위상상 전이가 확인되어, 이 전이가 외부 요인에 기인한 것이 아니며 내재된 전이임을 검증하였다.
• 짝수층 및 홀수층 MnBi2Te4 장치 모두에서 자기장 조절에 의해 동일한 위상상 전이가 관측되었으며, 이는 이론적·실험적 보고서에서 층수 의존적 차이가 있다고 주장한 바와 정면으로 배치된다.
• 부피 전자 구조의 변화가 자성 상태와 직접적으로 연관되어 있음을 발견하여, 자성, 위상 질서, 층 두께 사이에 일대일 대응 관계를 설정하였다.
• 기울인 자성 상은 위상 전이를 가능하게 하는 핵심 중간 상태로서, 이는 밴드 갭의 소멸과 대칭성 변화와 관련이 있다.
• 결과적으로 MnBi2Te4는 층 수에 관계없이 강력하고 조절 가능한 위상 상태를 지닌다는 것이 입증되었으며, 이는 위상 양자 장치에 대한 잠재적 응용 가능성을 시사한다.