[論文レビュー] Gate-tunable anomalous Hall effect in stacked van der Waals ferromagnetic insulator - topological insulator heterostructures

Andres E. Llacsahuanga Allcca, Xingchen Pan+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2022

Topological Materials and Phenomena参考文献 36被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、剥離したCr2Ge2Te6（強磁性絶縁体）とBiSbTeSe2（トポロジカル絶縁体）からなるvan der Waalsヘテロ構造において、乾燥転写を用いてゲートで制御可能な異常ホール効果（AHE）を実証した。AHEは明確なヒステリシスを示し、静電的ゲーティングによって変調可能であり、外延的成長の制約がない完全なvan der Waalsヘテロ構造において磁気的近接効果が確認された。これにより、キャリア密度とAHEの振幅を制御可能となった。

ABSTRACT

The search of novel topological phases, such as the quantum anomalous Hall insulator (QAHI) or the axion insulator, has motivated different schemes to introduce magnetism into topological insulators. One scheme is to introduce ferromagnetic dopants in topological insulators. However, it is generally challenging and requires carefully engineered growth/heterostructures or relatively low temperatures to observe the QAHI due to issues such as the added disorder with ferromagnetic dopants. Another promising scheme is using the magnetic proximity effect with a magnetic insulator to magnetize the topological insulator. Most of these heterostructures are synthesized so far by growth techniques such as molecular beam epitaxy and metallic organic chemical vapor deposition. These are not readily applicable to allow mixing and matching many of the available ferromagnetic and topological insulators due to difference in growth conditions and lattice mismatch. Here, we demonstrate that the magnetic proximity effect can still be obtained in stacked heterostructures assembled via the dry transfer of exfoliated micrometer-sized thin flakes of van der Waals topological insulator and magnetic insulator materials (BiSbTeSe2/Cr2Ge2Te6), as evidenced in the observation of an anomalous Hall effect (AHE). Furthermore, devices made from these heterostructures can allow modulation of the AHE when controlling the carrier density via electrostatic gating. These results show that simple mechanical transfer of magnetic van der Waals materials provides another possible avenue to magnetize topological insulators by magnetic proximity effect, a key step towards further realization of novel topological phases such as QAHI and axion insulators.

研究の動機と目的

• 外延的成長の制約を回避し、格子不整合や相互拡散の問題を克服して、トポロジカル絶縁体に磁気的近接効果を実現すること。
• 剥離したvan der Waals材料が、強固な磁気的および輸送特性を示す機能的ヘテロ構造を形成できることを実証すること。
• 2次元強磁性絶縁体とボトム絶縁性トポロジカル絶縁体で構成されるヘテロ構造において、ゲートで制御可能な異常ホール効果を達成すること。
• トポロジカル絶縁体の表面状態におけるキャリア密度を静電的に制御可能であり、これによりAHEの振幅を制御できることを示すこと。
• 量子異常ホール絶縁体およびaxion絶縁体相を探索するためのスケーラブルで、成長を要しないプラットフォームを提供すること。

提案手法

• 剥離したミクロンスケールのCr2Ge2Te6（CGT）およびBiSbTeSe2（BSTS）フラケの乾燥機械的転写を用いてヘテロ構造を形成し、清浄で欠陥のない界面を確保した。
• 2Kでバックゲート型フィールド効果デバイスを用いた4端子電気的測定により、縦方向抵抗（Rxx）およびホール抵抗（Rxy）を測定した。
• ホール応答を測定し、Rxyのヒステリシスループを用いて異常ホール効果（AHE）を抽出するために、垂直方向の磁場を印加した。
• 弱い反局在に関連するスピンオービット結合パラメータ（α, lϕ）を抽出するために、磁気抵抗データにHikami-Larkin-Nagaoka（HLN）方程式をフィットした。
• CGTフラケで磁気光学カー効果（MOKE）測定を実施し、磁気ヒステリシスとAHE挙動の相関を確認した。
• 多項式バックグラウンド除去を用いてAHEヒステリシス振幅（ΔRxy）を分離し、ゲート電圧および温度依存性を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 乾燥転写を用いて、van der Waals強磁性絶縁体を用いて、トポロジカル絶縁体に効果的な磁気的近接効果を誘発できるか？
• RQ2 このようなヘテロ構造における異常ホール効果はゲートで制御可能であり、キャリア密度の変調がその振幅を制御できるか？
• RQ3 観測されたAHEは他の非線形ホール効果と区別可能であり、強磁性秩序を示す明確なヒステリシスを示すか？
• RQ4 CGTフラケの磁気ヒステリシスが、ヘテロ構造におけるAHE特性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 AHE振幅を、表面状態における縦方向抵抗およびキャリア密度と定量的に関連づけられるか？

主な発見

• CGT/BSTSヘテロ構造において、明確なゲートで制御可能な異常ホール効果が観測され、ヒステリシスループの振幅は約3.5 Ω、閉磁界は約0.035 Tであった。
• AHE振幅（ΔRxy）はバックゲート電圧に依存し、VBG = -20 Vで約1.5 ΩからVBG = +20 Vで約4.5 Ωに増加し、縦方向抵抗の最小値と同様の傾向を示した。
• AHEヒステリシス振幅は温度上昇に伴い減少し、約10 K以上で消失した。これは、磁気的近接効果が熱的に抑制されることを示唆している。
• ΔRxy ~ Rxx^2.8±0.3のべき乗則的依存性が観測され、AHEと表面状態におけるキャリア輸送の強い相関関係が示唆された。
• MOKE測定により、薄いCGTフラケ（<10 nm）が高残留磁化および高い閉磁界を示す長方形ヒステリシスループを示し、これがAHE応答に引き継がれた。
• デバイスはRxxにおいてアンビポーラフィールド効果を示し、VBG ≈ 15 V近辺で最小値を示した。これはディラック点を通過する制御と、強化されたスピンオービット結合を示している。