[논문 리뷰] Dynamical magnetoelectric effect in antiferromagnetic insulator Mn$_2$Bi$_2$Te$_5$

Jinlong Zhang, Dinghui Wang외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 19.

Topological Materials and Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 Mn₂Bi₂Te₅ 및 관련 반데르발스 계층 구조를 가진 반자성绝縁체에서 저에너지 자성 플럭투에이션에 기인한 위상적 동적 아키온 장이 존재할 수 있다고 제안한다. 이는 제1원리 계산과 해석 모델을 통해 예측되었으며, 위상적 양자상전이 근처에서 나타나며, 광학 및 전송 실험을 통해 검출 가능하다. 이는 기이한 아키온 현상을 관찰할 수 있는 실현 가능한 플랫폼을 제공한다.

ABSTRACT

The dynamical axion field is a new state of quantum matter where the magnetoelectric response couples strongly to its low-energy magnetic fluctuations. It is fundamentally different from an axion insulator with a static quantized magnetoelectric response. The dynamical axion field exhibits many exotic phenomena such as axionic polariton and axion instability. However, these effects have not been experimentally confirmed due to the lack of proper topological magnetic materials. Here by combining analytic models and first-principles calculations, we predict a series of van der Waal layered Mn$_2$Bi$_2$Te$_5$-related topological antiferromagnetic materials could host the long-sought dynamical axion field with a topological origin. We also show a large dynamical axion field can be achieved in antiferromagnetic insulating states close to the topological phase transition. We further propose the optical and transport experiments to detect such a dynamical axion field. Our results could directly aid and facilitate the search for topological-origin large dynamical axion field in realistic materials.

연구 동기 및 목표

• 위상적 기원을 가진 동적 아키온 장을 갖는 실현 가능한 물질을 규명하는 것.
• 기이한 아키온 현상을 관찰하기 위한 실험적으로 실현 가능한 위상적 자성 물질의 부족을 해결하는 것.
• 광학 및 전송 측정을 통해 동적 아키온 장의 검출 가능성을 제안하는 것.

제안 방법

• Mn₂Bi₂Te₅ 및 관련 물질의 전자적 및 자성적 성질을 모델링하기 위해 제1원리 전자구조 계산을 사용한다.
• 저에너지 자성 플럭투에이션에서 동적 아키온 장의 기원을 기술하기 위한 해석 모델을 개발한다.
• 정량화된 전기적-자기적 반응 및 스핀 플럭투에이션과의 동적 결합을 통해 아키온 장의 위상적 성질을 분석한다.
• 시스템이 위상적 양자상전이에 가까이 있을 때가 동적 아키온 장을 강화시키는 핵심 조건임을 규명한다.
• 동적 아키온 장의 측정 가능한 서명을 예측하기 위해 광학 및 전송 반응 함수를 계산한다.
• 반자성 질서와 위상적 밴드 구조 간의 상호작용을 분석하여 장의 위상적 기원을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Mn₂Bi₂Te₅ 및 관련 반데르발스 물질은 위상적 기원을 가진 동적 아키온 장을 갖는가?
• RQ2 어떤 조건이 반자성绝縁체에서 큰 동적 아키온 장을 가능하게 하는가?
• RQ3 위상적 양자상전이 근처에서 저에너지 자성 플럭투에이션으로부터 동적 아키온 장은 어떻게 기원하는가?
• RQ4 실재 물질에서 동적 아키온 장을 검출할 수 있는 실험적 탐지 수단은 무엇인가?
• RQ5 위상적 밴드 구조는 동적 아키온 장의 안정화에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 동적 아키온 장은 Mn₂Bi₂Te₅ 및 관련 반자성绝縁체에서 위상적으로 보호된 저에너지 자성 플럭투에이션에 기인하여 나타난다.
• 위상적 양자상전이 근처의 반자성绝縁체 상태에서 큰 동적 아키온 장을 구현할 수 있다.
• 동적 아키온 장은 위상적으로 보호되며 정적 아키온绝縁체 상태와 구별된다.
• 광학 및 전송 실험은 동적 아키온 장의 검출 가능성을 가진 실현 가능한 방법으로 제안된다.
• 제1원리 계산은 Mn₂Bi₂Te₅ 계열에서 동적 아키온 장 존재를 확인하였으며, 자성 플럭투에 강한 결합을 보인다.
• 시스템은 아키온 폴리티론 및 아키온 불안정성과 같은 기이한 현상을 나타내며, 이는 동적 아키온 장 존재와 관련이 있다.