[논문 리뷰] Non-reciprocal charge transport in an intrinsic magnetic topological insulator MnBi2Te4

Zhaowei Zhang, Naizhou Wang외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 17.

Topological Materials and Phenomena인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 반데르발스 자성 양자역학적 절연체인 고유 상태의 MnBi2Te4에서 게이트 조절이 가능한 비상호성 전하 운반을 보여준다. 소수의 7층 구조를 가진 MnBi2Te4에서 입자성 가장자리 상태를 활용하여, 자화에 의해 스위칭 가능한, 가장자리 위치에 민감한 비상호성 저항을 관찰하였으며, 이는 게이트 전압에 의해 효과적으로 조절될 수 있음을 확인하여, 토폴로지 스핀트로닉스에서 편극성(chirality)이 핵심 제어 요소임을 입증한다.

ABSTRACT

Symmetries, quantum geometries and electronic correlations are among the most important ingredients of condensed matters, and lead to nontrivial phenomena in experiments, for example, non-reciprocal charge transport. Here we report the non-reciprocal charge transport in the intrinsic magnetic topological insulator MnBi2Te4. The current direction relevant resistance is observed at chiral edges, which is magnetically switchable, edge position sensitive and septuple layer number controllable. Applying gate voltage can effectively tune the non-reciprocal resistance. The observation and manipulation of non-reciprocal charge transport indicate the fundamental role of chirality in charge transport of MnBi2Te4, and pave ways to develop van der Waals spintronic devices by chirality engineering.

연구 동기 및 목표

• 도핑 없이 고유 상태의 자성 양자역학적 절연체에서 비상호성 전하 운반을 조사하는 것.
• 산산성과 자성 순서가 소산성 운반 영역에서 수행하는 역할을 탐색하는 것.
• MnBi2Te4에서 게이트 전압과 층 두께에 의한 비상호성 저항 조절 가능성을 입증하는 것.
• 스핀트로닉스 응용을 위한 반데르발스 헤테로구조에서 편극성 가장자리 공학을 위한 플랫폼을 구축하는 것.

제안 방법

• 5-SL 및 4-SL의 소수층 MnBi2Te4 플레인은 Al2O3를 보조로 사용한 기계적 분리 방법으로 제작되었다.
• 고품질 장치를 확보하기 위해 스텐실 마스크를 통해 열증착을 이용해 Au 전극을 증착하였다.
• 하부 Si/SiO2 및 상부 그래핀/hBN 게이트를 사용하여 패러미 레벨을 전하 중성점에 조절하였다.
• 비상호성 저항은 교류 전류를 인가하고 반대 전류 방향에서의 저항 차이를 측정하여 측정되었다.
• 양자 이상자석 효과 상태와 활성화 갭을 탐색하기 위해 자기장 및 온도 의존성 운반 측정을 수행하였다.
• 운반 특성을 추출하기 위해 홀 저항과 종방향 저항을 게이트 전압, 자기장, 온도의 함수로 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고유 상태의 자성 양자역학적 절연체인 MnBi2Te4에서 비상호성 전하 운반을 관찰할 수 있는가?
• RQ2 MnBi2Te4에서 비상호성 저항은 자기장, 게이트 전압, 층 두께에 어떻게 의존하는가?
• RQ3 비상호성 운반은 편극성이고 가장자리에 특이적인가, 그리고 자화에 의해 스위칭 가능한가?
• RQ4 MnBi2Te4에서 비상호성 저항은 전기적 게이팅을 통해 어느 정도 조절 가능한가?
• RQ5 도핑이 없는 조건에서 편극성과 토폴로지적 가장자리 상태는 비상호성 운반을 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• 저온(약 23 K 이하)에서 5-SL 및 4-SL MnBi2Te4에서 비상호성 저항이 관측되었으며, 전류 방향에 명확한 의존성이 있었다.
• 비상호성 저항은 자화에 의해 스위칭 가능하며, 네일 온도(약 23 K) 이상이거나 자화가 0일 경우 사라졌다.
• 전하 중성점(CNP)에서 홀 저항은 최대값에 도달하고 종방향 저항은 최소값에 도달하여, 최적의 편극성 가장자리 운반을 나타낸다.
• 비상호성 저항은 가장자리 위치에 민감하며, 장치의 왼쪽 가장자리에서 더 강한 효과를 보였다.
• 게이트 전압 조절이 비상호성 저항을 효과적으로 조절하였으며, 특히 CNP 근처에서 최대 효과를 보였다(Vg_CNP ≈ 22 V (5-SL), 13 V (4-SL)).
• 종방향 저항의 아레니우스 피팅을 통해 활성화 에너지 갭을 0.944 meV (5-SL) 및 0.779 meV (4-SL)로 추출하여, 토폴로지적 갭이 확인되었다.