[논문 리뷰] Nature of the Dirac gap modulation and surface magnetic interaction in axion antiferromagnetic topological insulator MnBi$_2$Te$_4$

A. M. Shikin, D. A. Estyunin외 19명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 09.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 68인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 MnBi₂Te₄에서 두 가지 별개의 디랙 갭 상태—62–67 meV 및 15–18 meV—를 규명하였으며, 이는 네일 온도(24.5 K) 이상에서도 열린 상태를 유지한다. 이는 국소적이고 나선형 스핀 변동에 기인한 것으로 추정된다. 스핀 해상도 ARPES 및 XMCD는 큰 갭 상태에서 표면 강자성 질서를 보이고, 작은 갭 상태에서는 자기 모멘트가 감소함을 보이며, 이는 구조 결함과 두 번째 망간 계층에서의 경쟁 자기 모멘트로 인한 위상 표면 상태의 이동과 관련이 있다.

ABSTRACT

Modification of the gap at the Dirac point (DP) in antiferromagnetic (AFM) axion topological insulator MnBi$_2$Te$_4$ and its electronic and spin structure has been studied by angle- and spin-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) under laser excitation with variation of temperature (9-35~K), light polarization and photon energy. We have distinguished both a large (62-67~meV) and a reduced (15-18~meV) gap at the DP in the ARPES dispersions, which remains open above the Néel temperature ($T_\mathrm{N}=24.5$~K). We propose that the gap above $T_\mathrm{N}$ remains open due to short-range magnetic field generated by chiral spin fluctuations. Spin-resolved ARPES, XMCD and circular dichroism ARPES measurements show a surface ferromagnetic ordering for large-gap sample and significantly reduced effective magnetic moment for the reduced-gap sample. These effects can be associated with a shift of the topological DC state towards the second Mn layer due to structural defects and mechanical disturbance, where it is influenced by a compensated effect of opposite magnetic moments.

연구 동기 및 목표

• 축상 반자기적 위상 절연체인 MnBi₂Te₄에서 다수의 디랙 갭 상태가 발생하는 원인을 규명하는 것.
• 나선형 스핀 변동이 네일 온도 이상에서도 갭을 유지하는 데 기여하는 역할을 규명하는 것.
• 스핀 해상도 측정을 통해 표면 자기 질서와 효과적 자기 모멘트를 디랙 갭 크기와 연관짓는 것.
• 구조 결함과 계층별 자기 상호작용이 위상 표면 상태 및 그 스핀 텍스처에 미치는 영향을 탐구하는 것.
• 관측된 갭 조절 현상과 물질의 축상 전기역학 및 위상 반응 간의 연관성을 설정하는 것.

제안 방법

• 각도 및 스핀 해상도 광전자 분광법(ARPES)을 실시하여 다양한 광자 에너지, 광학 편광 및 온도(9–35 K) 조건에서 측정하였다.
• 도쿄 대학에서 s-편광 광원(7 eV)을 사용한 스핀 해상도 ARPES를 실시하여 스핀 텍스처와 자기 모멘트 감소를 탐측하였다.
• SPring-8에서 X선 자기원형 이분광법(XMCD) 및 X선 흡수 분광법(XAS)을 수행하여 원소 특이적 자기 모멘트를 측정하였다.
• 공명 광전자 분광법을 활용하여 Mn 3d 코어 준위 근처의 스펙트럼 특징을 강화하고 전자 상호작용에 대한 감도를 향상시켰다.
• 스핀-오비트 결합 및 스칼라 상대론적 효과를 포함한 DFT에 GGA+U 및 DFT-D3 보정을 적용한 백터 이론 전자 구조 계산을 수행하였다.
• 초기 원리 모델링을 통해 Mn 계층의 적층 방식과 구조 결함가 표면 상태 분산 및 자기 결합에 미치는 영향을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MnBi₂Te₄에서 네일 온도 이상에서도 열린 상태를 유지하는 두 가지 별개의 디랙 갭 상태(62–67 meV 및 15–18 meV)가 공존하는 원인은 무엇인가?
• RQ2 장거리 자기 질서가 없는 상황에서 나선형 스핀 변동이 네일 온도 이상에서도 자기 갭을 유지하는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ3 왜 작은 갭 상태에서는 큰 갭 상태에 비해 효과적 자기 모멘트가 크게 감소하는가?
• RQ4 구조 결함과 경쟁 자기 모멘트로 인해 위상 표면 상태가 Mn 계층에 대해 어느 정도 이동하는가?
• RQ5 표면 자기 질서가 관측된 디랙 갭 크기와 스핀 텍스처와 얼마나 관련이 있는가?

주요 결과

• ARPES 스펙트럼에서 두 가지 별개의 디랙 갭—62–67 meV 및 15–18 meV—가 관측되었으며, 이는 네일 온도(24.5 K) 이상에서도 열린 상태를 유지한다.
• TN 이상에서도 지속되는 갭은 장거리 반자기 질서가 아닌 국소적 나선형 스핀 변동이 효과적인 자기장을 생성함으로써 발생하는 것으로 추정된다.
• 스핀 해상도 ARPES는 큰 갭 샘플에서 잘 발달된 표면 강자성 질서와 뚜렷한 효과적 자기 모멘트를 보여준다.
• 작은 갭 샘플은 효과적 자기 모멘트가著적으로 감소한 것을 보이며, 표면 자기성이 둔화된 것으로 나타난다.
• 구조 결함과 기계적 응력으로 인해 위상 표면 상태가 두 번째 Mn 계층 쪽으로 이동함으로써 상반된 자기 모멘트가 상쇄되어 순 자기 반응이 감소한다.
• XMCD 및 원형 이분광 ARPES는 갭 크기, 표면 자기 모멘트, 위상 상태의 공간 국소화 간의 상관관계를 확인한다.