[논문 리뷰] Strongly Gapped Topological Surface States on Protected Surfaces of Antiferromagnetic MnBi$_4$Te$_7$ and MnBi$_6$Te$_{10}$

Kyle Gordon, Hongyi Sun외 9명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 30.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 39인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 MnBi₄Te₇ 및 MnBi₆Te₁₀이 MnBi₂Te₄ 표면이 단일 Bi₂Te₃ 층으로 보호될 경우 큰, 강하게 갭이 생긴 위상적 표면 상태를 나타내며, 약 100 meV의 질량 갭을 달성함을 보여준다. 소형점 ARPES를 통해 저자들은 이러한 보호 구조에서 표면 자성 불순이 억제됨을 보여주며, 이는 양자 비정상 홀 효과를 실현하기 위한 바람직한 후보가 되는 물질임을 시사한다.

ABSTRACT

The search for materials to support the Quantum Anomalous Hall Effect (QAHE) have recently centered on intrinsic magnetic topological insulators (MTIs) including MnBi$_2$Te$_4$ or heterostructures made up of MnBi$_2$Te$_4$ and Bi$_2$Te$_3$. While MnBi$_2$Te$_4$ is itself a MTI, most recent ARPES experiments indicate that the surface states on this material lack the mass gap that is expected from the magnetism-induced time-reversal symmetry breaking (TRSB), with the absence of this mass gap likely due to surface magnetic disorder. Here, utilizing small-spot ARPES scanned across the surfaces of MnBi$_4$Te$_7$ and MnBi$_6$Te$_{10}$, we show the presence of large mass gaps (~ 100 meV scale) on both of these materials when the MnBi$_2$Te$_4$ surfaces are buried below one layer of Bi$_2$Te$_3$ that apparently protects the magnetic order, but not when the MnBi$_2$Te$_4$ surfaces are exposed at the surface or are buried below two Bi$_2$Te$_3$ layers. This makes both MnBi$_4$Te$_7$ and MnBi$_6$Te$_{10}$ excellent candidates for supporting the QAHE, especially if bulk devices can be fabricated with a single continuous Bi$_2$Te$_3$ layer at the surface.

연구 동기 및 목표

• 양자 비정상 홀 효과(Quantum Anomalous Hall Effect, QAHE)를 위한 전제 조건인 위상적 표면 상태에서 큰 질량 갭을 지원하는 내재적 자성 위상 절연체를 규명하기 위해.
• MnBi₂Te₄ 기반 반데르발스 헤테로구조에서 표면 종결 및 캡핑 층이 자성 질서와 위상 갭 형성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• MnBi₄Te₇ 및 MnBi₆Te₁₀에서 단일 Bi₂Te₃ 층으로 표면을 보호할 경우 자성 불순이 억제되고 시간역전대칭 깨짐이 안정화되는지 확인하기 위해.
• 위상 갭의 크기와 내구성 측정을 통해 MnBi₄Te₇ 및 MnBi₆Te₁₀이 QAHE를 위한 실현 가능한 플랫폼으로서의 잠재력을 평가하기 위해.

제안 방법

• 소형점 각도해상 분광법(ARPES)을 사용하여 MnBi₄Te₇ 및 MnBi₆Te₁₀ 결정에서 고해상도 공간 및 에너지 해상도로 전자 구조를 맵핑하였다.
• 결정을 벌리면서 표면 종결을 체계적으로 변화시켜 MnBi₂Te₄ 표면을 직접 노출하거나 한 개 또는 두 개의 Bi₂Te₃ 층 아래에 있는 표면을 노출시켰다.
• 디랙 점 근처 표면 상태의 에너지 분리도를 분석하여 위상적 질량 갭의 존재 및 크기를 분석하였다.
• 다른 표면 종결을 가진 샘플을 비교함으로써 캡핑 층이 자성 질서에 미치는 영향을 관측된 갭의 안정성과 크기로부터 유추하였다.
• 층상 구조를 가진 내재적 자성 위상 절연체인 반자성 MnBi₄Te₇ 및 MnBi₆Te₁₀에 초점을 맞추었다.
• 시간역전대칭 깨짐의 이론적 기대를 실험적으로 검증하기 위해, TRSB가 유지될 경우 유한한 갭 크기가 관측되어야 한다는 점을 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MnBi₄Te₇ 및 MnBi₆Te₁₀에서 단일 Bi₂Te₃ 캡핑 층이 존재할 경우 표면 자성 불순이 억제되고 큰 위상적 질량 갭이 안정화되는가?
• RQ2 MnBi₄Te₇ 및 MnBi₆Te₁₀의 MnBi₂Te₄ 표면은 내재적 자성 위상 절연체임에도 불구하고, 공기 중에 직접 노출되었을 때 ARPES에서 측정 가능한 갭을 나타내지 않는 이유는 무엇인가?
• RQ3 표면 종결 및 층 배열은 MnBi₂Te₄ 기반 물질에서 시간역전대칭 깨짐을 유지하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 MnBi₄Te₇ 및 MnBi₆Te₁₀의 위상 표면 상태가 단일 Bi₂Te₃ 층으로 보호될 경우, QAHE에 요구되는 약 100 meV 수준의 갭이 형성되는가?
• RQ5 MnBi₂Te₄ 표면에 캡핑된 Bi₂Te₃ 층의 수에 따라 이 물질들에서의 갭 크기가 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• 단일 Bi₂Te₃ 층으로 캡핑된 MnBi₄Te₇ 및 MnBi₆Te₁₀의 보호된 MnBi₂Te₄ 표면에서 약 100 meV의 큰 위상적 질량 갭이 관측되었다.
• MnBi₂Te₄ 표면이 진공에 직접 노출되었을 경우, 유의미한 갭이 관측되지 않아 시간역전대칭을 깨는 강한 표면 자성 불순이 존재함을 시사한다.
• MnBi₂Te₄ 표면 위에 두 번째 Bi₂Te₃ 층이 존재하는 경우에도 큰 갭이 안정화되지 않아, 오직 단일 캡핑 층일 때만 최적의 자성 질서 보호가 이루어짐을 시사한다.
• 관측된 갭 크기는 내재적 자성 위상 절연체에서 시간역전대칭 깨짐에 대한 이론적 기대와 일치한다.
• 결과적으로, 표면이 단일 Bi₂Te₃ 층으로 보호되는 것이 이 물질들에서 강력하고 갭이 생긴 위상 표면 상태를 실현하는 데 필수적임을 입증한다.
• 이러한 발견은 MnBi₄Te₇ 및 MnBi₆Te₁₀이 특히 단일 Bi₂Te₃ 캡핑 층을 가진 복합체 장치에서 양자 비정상 홀 효과를 갖는 데 있어 유망한 후보임을 확립한다.