[논문 리뷰] Multiple magnetic topological phases in bulk van der Waals crystal MnSb4Te7

Shuchun Huan, Shihao Zhang외 12명|PubMed|2021. 01. 25.

Topological Materials and Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 반데르발스 결정인 MnSb4Te7이 조절 가능한 위상 위상으로 나타나는 다기능 자기적 위상 물질임을 규명한다. 자성 전도도 측정, 각도 분 giải 광전자 방사 분석 및 최초 원리 계산을 통합하여, 이 물질이 반자성 상태에서는 Z₂ 반자기적 위상 절연체에서 편미분 절연체로 전이되며, 자성 상태에서는 축성 절연체로 전이되며, 실체적 전하 도핑 시 웨일 반도체로 전이됨을 입증한다. 이는 뚜렷한 비정상 홀 효과로 입증된다.

ABSTRACT

The magnetic van der Waals crystals MnBi_{2}Te_{4}/(Bi_{2}Te_{3})_{n} have drawn significant attention due to their rich topological properties and the tunability by external magnetic field. Although the MnBi_{2}Te_{4}/(Bi_{2}Te_{3})_{n} family have been intensively studied in the past few years, their close relatives, the MnSb_{2}Te_{4}/(Sb_{2}Te_{3})_{n} family, remain much less explored. In this work, combining magnetotransport measurements, angle-resolved photoemission spectroscopy, and first principles calculations, we find that MnSb_{4}Te_{7}, the n=1 member of the MnSb_{2}Te_{4}/(Sb_{2}Te_{3})_{n} family, is a magnetic topological system with versatile topological phases that can be manipulated by both carrier doping and magnetic field. Our calculations unveil that its A-type antiferromagnetic (AFM) ground state stays in a Z_{2} AFM topological insulator phase, which can be converted to an inversion-symmetry-protected axion insulator phase when in the ferromagnetic (FM) state. Moreover, when this system in the FM phase is slightly carrier doped on either the electron or hole side, it becomes a Weyl semimetal with multiple Weyl nodes in the highest valence bands and lowest conduction bands, which are manifested by the measured notable anomalous Hall effect. Our work thus introduces a new magnetic topological material with different topological phases that are highly tunable by carrier doping or magnetic field.

연구 동기 및 목표

• MnBi2Te4 유사체에 비해 다소 미비하게 연구된 MnSb2Te4/(Sb2Te3)n 계열의 일원인 MnSb4Te7의 위상적 성질을 탐구한다.
• 이 반데르발스 결정 내에서 자성, 전자 구조 및 위상학적 성질 간의 상호작용을 조사한다.
• 전자 도핑과 외부 자장이 MnSb4Te7에서 다양한 위상 위상으로 이르는지를 규명한다.
• MnSb4Te7를 조절 가능한 위상 양자 현상의 플랫폼으로 확립한다.

제안 방법

• 자기장 하에서 비정상 홀 효과 및 전자적 반응을 탐지하기 위해 자성 전도도 측정을 수행한다.
• 전자 밴드 구조를 직접 맵핑하고 웨일 노드를 식별하기 위해 각도 분해 광전자 방사 분석(ARPES)을 수행한다.
• 다양한 자성 상태에서의 위상 불변량 및 위상 전이를 예측하기 위해 최초 원리 계산을 수행한다.
• 자기 상태에서의 축성 보호 위상인 축성 절연체 위상의 대칭성 기반 성질을 분석한다.
• A형 반자성 기저 상태의 전자 구조를 자성 상태 및 도핑 상태와 비교한다.
• 대칭성 및 밴드 위상학적 분석을 통해 시스템 내 Z₂ 불변량과 축성 결합을 분류한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MnSb4Te7는 외부 매개변수에 의해 조절 가능한 다수의 위상 위상을 수용할 수 있는가?
• RQ2 MnSb4Te7의 A형 반자성 기저 상태의 위상적 성질은 무엇인가?
• RQ3 자기 상태에서 Z₂ 위상 절연체에서 축성 절연체로의 전이 과정은 어떻게 이루어지는가?
• RQ4 자기 상태에서 전자 도핑이 이루어질 경우 어떤 위상 위상이 나타나며, 어떻게 감지되는가?
• RQ5 이 시스템에서 비정상 홀 효과는 웨일 반도체 행동의 지표로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 최초 원리 계산을 통해 MnSb4Te7의 A형 반자성 기저 상태는 Z₂ 위상 절연체임이 확인되었다.
• 자기 상태에 진입함에 따라, 이 시스템은 공간 역행 대칭 보존에 의해 보호되는 축성 절연체로 전이되며, 비정상적인 위상 반응을 나타낸다.
• 자기 상태에서 약간의 전자 또는 정공 도핑이 이루어지면, 전도대 및 가소대에 다수의 웨일 노드를 가진 웨일 반도체 위상으로 전이된다.
• 자기장 전도도 측정에서 큰 강력한 비정상 홀 효과로 인해 다수의 웨일 노드 존재가 실험적으로 확인되었다.
• 전자 도핑과 외부 자장을 통해 위상 전이가 조절 가능하여, 시스템의 위상학적 성질을 동적으로 제어할 수 있다.
• MnSb4Te7는 풍부하고 스위칭 가능한 위상 위상을 지닌 다기능 자기적 위상 물질의 새로운 플랫폼으로 확립되었다.