[논문 리뷰] Quantum Oscillations in the Field-induced Ferromagnetic State of MnBi$_{2-x}$Sb$_{x}$Te$_{4}$

Qianni Jiang, Chong Wang외 11명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 23.

Rare-earth and actinide compounds인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 MnBi$_{2-x}$Sb$_{x}$Te$_{4}$의 전장 유도 페로자성 상에서의 양자 진동을 보고하며, Sb 도핑이 전자에서 정공으로의 캐리어 유형을 조절함을 입증한다. 관측된 쇼비니코프-데 하아스 진동과 그 온도 의존성 주파수는 페로자성 MnBi$_{2}$Te$_{4}$에서 와일 밴드 준금속 상태의 존재를 강력히 지지하며, 밀도 함수 이론 예측과 일치한다.

ABSTRACT

The intrinsic antiferromagnetic topological insulator MnBi$_{2}$Te$_{4}$ undergoes a metamagnetic transition in a c-axis magnetic field. It has been predicted that ferromagnetic MnBi$_{2}$Te$_{4}$ is an ideal Weyl semimetal with a single pair of Weyl nodes. Here we report measurements of quantum oscillations detected in the field-induced ferromagnetic phase of MnBi$_{2-x}$Sb$_{x}$Te$_{4}$, where Sb substitution tunes the majority carriers from electrons to holes. Single frequency Shubnikov-de Haas oscillations were observed in a wide range of Sb concentrations (0.54 $\leq$ x $\leq$ 1.21). The evolution of the oscillation frequency and the effective mass shows reasonable agreement with the Weyl semimetal band-structure of ferromagnetic MnBi$_{2}$Te$_{4}$ predicted by density functional calculations. Intriguingly, the quantum oscillation frequency shows a strong temperature dependence, indicating that the electronic structure sensitively depends on magnetism.

연구 동기 및 목표

• 전장 유도 페로자성 상태에서 MnBi$_{2-x}$Sb$_{x}$Te$_{4}$의 전자 구조를 조사하는 것.
• 이론 예측과 일치하여 페로자성 상이 와일 준금속 상태를 수반하는지 확인하는 것.
• Sb 도핑 농도와 온도 변화에 따른 양자 진동의 진화를 탐구하는 것.
• 관측된 양자 진동과 MnBi$_{2}$Te$_{4}$에서 예측된 와일 노드 구조 사이의 정량적 연관성을 확립하는 것.

제안 방법

• c축에 수직으로 작용하는 고자기장 하에서 MnBi$_{2-x}$Sb$_{x}$Te$_{4}$의 단일 결정에서 쇼비니코프-데 하아스 진동 측정.
• 전자에서 정공으로의 캐리어 유형을 조절하기 위해 Sb 농도(x)를 0.54에서 1.21로 체계적으로 변화.
• 페로자성 MnBi$_{2}$Te$_{4}$의 밀도 함수 이론 계산과 비교하기 위해 진동 주파수와 효과적 질량 분석.
• 자기적 민감한 전자 구조를 탐구하기 위해 진동 주파수의 온도 의존성 조사.
• 종방향 저항도에서 양자 진동 신호를 식별하기 위해 고자기장 전기적 성질 측정 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전장 유도 페로자성 상에서 MnBi$_{2-x}$Sb$_{x}$Te$_{4}$는 와일 준금속 상태와 일치하는 양자 진동을 나타내는가?
• RQ2 Sb 도핑에 따라 진동 주파수와 효과적 질량는 어떻게 변화하며, 이는 페로자성 MnBi$_{2}$Te$_{4}$에 대한 이론 예측과 일치하는가?
• RQ3 온도 의존성 양자 진동을 통해 자성이 전자 구조를 어떻게 조절하는가?
• RQ4 이 시스템에서 양자 진동 신호를 통해 전자에서 정공으로의 캐리어 유형 전이를 추적할 수 있는가?

주요 결과

• Sb 농도 범위(0.54 ≤ x ≤ 1.21) 전반에서 단일 주파수 쇼비니코프-데 하아스 진동이 관측되어 잘 정의된 패리 표면을 나타낸다.
• 진동 주파수는 Sb 도핑에 따라 증가하며, 전자성에서 정공성 캐리어로의 전이와 일치한다.
• 진동 데이터에서 추출한 효과적 질량는 페로자성 MnBi$_{2}$Te$_{4}$의 밀도 함수 이론 예측과 합리적인 일치를 보인다.
• 양자 진동 주파수의 강한 온도 의존성은 전자 구조가 자성 정렬에 매우 민감함을 시사한다.
• 관측된 행동은 전장 유도 페로자성 상에서 MnBi$_{2}$Te$_{4}$에서 와일 준금속 상태의 실현을 지지한다.