[논문 리뷰] Nonlocal Transport in Axion Insulator State of MnBi2Te4

Yaoxin Li, Chang Liu외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 24.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 43인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 축상 절연체 상태에 있는 여섯 단위층으로 구성된 MnBi2Te4 플레이크에서 비국소적 운반을 입증하며, 시스템이 축상 절연체 상태에서 카이르 절연체 상태로 전이될 때 비국소적 저항 신호가 사라지는 현상을 규명하였다. 결과는 표면 모서리에서 반정량화된 나선형 표면 모서리 상태를 통한 전하 운반을 강력히 뒷받침하며, 축상 절연체 상태에서 위상적으로 보호된 표면 모서리 모드의 존재를 지지한다.

ABSTRACT

The intrinsic antiferromagnetic topological insulator MnBi2Te4 provides a versatile platform for exploring exotic topological phenomena. In this work, we report nonlocal transport studies of exfoliated MnBi2Te4 flakes in the axion insulator state. We observe pronounced nonlocal transport signals in six septuple-layer thick MnBi2Te4 devices within the axion insulator regime at low magnetic fields. As a magnetic field drives the axion insulator into the Chern insulator, the nonlocal resistance almost vanishes due to the dissipationless nature of the chiral edge state. Our nonlocal transport measurements provide strong evidence that the charge transport in the axion insulator state is carried by the half-quantized helical edge state that is proposed to appear at the hinges of the top and bottom surfaces.

연구 동기 및 목표

• MnBi2Te4의 축상 절연체 상태에서의 전하 운반 메커니즘을 조사하기 위해.
• 축상 절연체 상태에서 비국소적 운반 신호가 위상적으로 보호된 표면 모서리 상태에서 기인하는지 확인하기 위해.
• 자기장에 의해 축상 절연체 상태에서 카이르 절연체 상태로 전이되는 동안 운반 행동의 변화를 탐구하기 위해.
• 축상 절연체 상태에서 표면 모서리에서 반정량화된 나선형 표면 모서리 상태 존재에 대한 실험적 증거를 제공하기 위해.

제안 방법

• 6개의 단위층을 가진 MnBi2Te4 플레이크를 기반으로 한 장치를 제작하여 운반 측정을 수행하였다.
• 저자기장 조건에서 비국소적 저항을 측정하여 축상 절연체 영역의 운반을 탐색하였다.
• 자기장을 적용하여 시스템을 축상 절연체 상태에서 카이르 절연체 상태로 전이시켰다.
• 비국소적 저항의 변화를 통해 나선표면 상태의 특징을 탐지하기 위해 운반 측정을 수행하였다.
• 장치 기하학적 구조를 통해 배경 운반과는 별개로 표면 모서리 상태 기여를 탐지할 수 있었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MnBi2Te4의 축상 절연체 상태에서 비국소적 운반 신호가 나타나는가?
• RQ2 축상 절연체 상태에서 전하 운반의 성격은 무엇인가—배경 운반인지 표면 모서리 지배인지?
• RQ3 축상 절연체 상태에서 카이르 절연체 상태로 전이될 때 비국소적 저항은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 관측된 비국소적 신호는 표면 모서리에서 반정량화된 나선형 표면 모서리 상태를 통한 운반과 일치하는가?

주요 결과

• 저자기장 조건에서 여섯 단위층으로 구성된 MnBi2Te4 플레이크에서 축상 절연체 영역에서 뚜렷한 비국소적 운반 신호를 관측하였다.
• 자기장에 의해 시스템이 카이르 절연체 상태로 전이될 때 비국소적 저항이 거의 사라졌다.
• 비국소적 저항의 감쇠는 카이르 절연체 상태에서 나선표면 상태의 소산 없는 성질 때문으로 기인되었다.
• 결과는 축상 절연체 상태에서 상부 및 하부 표면의 모서리에서 반정량화된 나선형 표면 모서리 상태 존재를 지지한다.