[논문 리뷰] Tunable intrinsic ferromagnetic topological phases in bulk van der Waals crystal MnSb6Te10

Xin Zhang, Shihao Zhang외 15명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 09.

Topological Materials and Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 반데르발스 다결정체인 MnSb6Te10을, 온도, 자장 또는 정공 도핑을 조절함으로써 편리하게 다양한 위상상으로 전이되는 내재적 편자성 위상물질로 규명하였다. 이 물질은 편자성, 반자성 위상절연체, 아크시온 절연체, 와일 반도체 위상으로 전이되며, 강한 내재적 이상 홀 효과로 그 위상적 성질이 확인된다.

ABSTRACT

Intrinsic ferromagnetism is a crucial ingredient to realize quantum anomalous Hall effect in quasi two dimensional materials, thus the search of intrinsic ferromagnetic topological materials is one of the most concerned issues in the field of topological phases of matter. In this work, combining magnetotransport measurements, first principles calculations, and angle-resolved photoemission spectroscopy studies, we find that in MnSb6Te10, the n = 2 member of the MnSb2Te4/(Sb2Te3)n family, the strong magnetic competition realizes a fragile ferromagnetic ground state, which whereas easily enters into ferrimagnetic and the Z_2 antiferromagnetic topological insulator phase with warming to higher temperature. Interestingly, the system stays in an inversion-symmetry-protected axion insulator phase in the ferromagnetic ground state as well as in the external magnetic field driven spin-polarized FM phase and can be converted into a Weyl semimetal with multiple Weyl nodes in the valence bands with hole doping, which are manifested by the measured notable intrinsic anomalous Hall effect. Our work thus provides an intrinsic magnetic topological material which is highly tunable into versatile topological phases by temperature, magnetic field, as well as carrier doping.

연구 동기 및 목표

• 양자 이상 홀 효과를 갖는 내재적 편자성 위상물질을 규명하는 것.
• 반데르발스 물질에서 편자성 기초 상태의 안정화에 기여하는 자기적 경쟁의 역할을 탐색하는 것.
• 온도, 외부 자장, 실내 전하 도핑과 같은 외부 매개변수를 통해 단일 다결정에서 위상상의 조절 가능성을 보여주는 것.
• MnSb6Te10을 다양한 위상상, 특히 아크시온 절연체와 와일 반도체 위상 상태를 실현할 수 있는 플랫폼으로 정립하는 것.

제안 방법

• 이상 홀 효과와 자기상 전이를 탐지하기 위해 자기장 전도도 측정을 수행한다.
• 밴드 위상과 자기 기초 상태를 결정하기 위해 최초 원리 전자 구조 계산을 수행한다.
• 표면 상태와 밴드 분산을 직접 관찰하기 위해 각도 분辨 광전자 방출 분석(ARPES)을 적용한다.
• 온도와 외부 자기장을 체계적으로 변화시켜 다양한 자기상과 위상상에 접근한다.
• 화학 치환을 통해 정공 도핑을 도입하여 와일 반도체 위상으로의 전이를 유도한다.
• 대칭성 보호와 위상적 불변량을 분석하여 편자성 상태와 스핀 균형 상태에서 아크시온 절연체 거동을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다결정 반데르발스 결정에서 내재적 편자성이 위상상의 안정화에 기여하여 양자 이상 홀 효과를 갖는가?
• RQ2 MnSb6Te10에서 자기적 경쟁은 온도와 자기장에 민감한 취약한 편자성 기초 상태를 어떻게 형성하는가?
• RQ3 온도, 자기장 또는 실내 전하 도핑을 조절함으로써 MnSb6Te10에서 어떤 위상상을 접근할 수 있는가?
• RQ4 MnSb6Te10의 편자성 상태는 반사 대칭성에 의해 보호되며, 아크시온 절연체 거동을 갖는가?
• RQ5 정공 도핑은 밴드의 정공 측면에 다수의 와일 노드를 갖는 와일 반도체 위상을 유도할 수 있는가? 이는 전도도 및 스펙트로스코픽 측정으로 증명된다.

주요 결과

• MnSb6Te10는 강한 자기적 경쟁에 의해 안정화된 취약한 편자성 기초 상태를 나타내며, 자기장 전도도 측정과 최초 원리 계산으로 확인된다.
• 가열에 의해 이 물질은 반자성 위상절연체 상태로 전이되며, 이는 열적 자극에 의한 자기적 재구성임을 시사한다.
• 편자성 기초 상태와 자기장에 의해 유도된 스핀 균형 편자성 상태에서, MnSb6Te10는 반사 대칭성에 의해 보호되는 아크시온 절연체 위상 상태를 갖는다.
• 정공 도핑은 밴드의 정공 측면에 다수의 와일 노드를 갖는 와일 반도체 위상으로 시스템을 이동시키며, 뚜렷한 내재적 이상 홀 효과로 증명된다.
• 관측된 이상 홀 신호는 내재적이며 강건하여 강한 스핀-운동량 결합과 위상적 전자 구조를 나타낸다.
• 이 물질은 단일 다결정에서 편자성, 아크시온 절연체, 와일 반도체 위상 등 다양한 위상상을 동시에 갖출 수 있으며, 외부 매개변수에 의한 높은 조절 가능성을 보여준다.