[논문 리뷰] Half-Magnetic Topological Insulator

Ruie Lu, Hongyi Sun외 22명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 09.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 61인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 스토이키오메트릭 MnBi8Te13이 내재된 MnBi2Te4-(Bi2Te3)3 이중구조를 가진 반자성 반도체 상과 함께 반자성 반도체 상의 표면에서만 자화가 존재하는 반반도체 상전이 절반형(topological insulator)임을 규명한다. 이로 인해 막대한 디랙 갭(~28 meV)이 유도되며, 이 갭은 투성점에서 열어문다. 각도 분 giải 광전자 방출 분광법(ARPES)은 갭의 온도 의존적 열림을 확인하여, 자화에 의해 유도된 표면 위상의 갭이 있는 자기 반도체 물질에서의 첫 번째 분광학적 증거를 제공하며, 이는 아키온 전기역학의 서명으로 반자기 반도체 표면에서의 반정수 표면 이상 홀 효과를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Topological magnets are a new family of quantum materials providing great potential to realize emergent phenomena, such as quantum anomalous Hall effect and axion-insulator state. Here we present our discovery that stoichiometric ferromagnet MnBi8Te13 with natural heterostructure MnBi2Te4-(Bi2Te3)3 is an unprecedented half-magnetic topological insulator, with the magnetization existing at the MnBi2Te4 surface but not at the opposite surface terminated by triple Bi2Te3 layers. Our angle-resolved photoemission spectroscopy measurements unveil a massive Dirac gap at the MnBi2Te4 surface, and gapless Dirac cone on the other side. Remarkably, the Dirac gap (~28 meV) at MnBi2Te4 surface decreases monotonically with increasing temperature and closes right at the Curie temperature, thereby representing the first smoking-gun spectroscopic evidence of magnetization-induced topological surface gap among all known magnetic topological materials. We further demonstrate theoretically that the half-magnetic topological insulator is desirable to realize the half-quantized surface anomalous Hall effect, which serves as a direct proof of the general concept of axion electrodynamics in condensed matter systems.

연구 동기 및 목표

• 반도체 상과 강자성 성질을 동시에 갖는 새로운 종류의 양자 물질을 규명하고 특성화하는 것.
• MnBi8Te13에서 자화의 공간 분포를 규명하고, 표면 전자 구조에 미치는 영향을 규명하는 것.
• 자기 반도체 물질에서 자화에 의해 유도된 표면 위상 갭에 대한 분광학적 증거를 제공하는 것.
• 아키온 전기역학의 서명으로서 반정수 표면 이상 홀 효과가 반도체 시스템에서 어떻게 나타나는지 보여주는 것.
• 내재된, 스토이키오메트릭 물질에서 아키온 절연체 상태와 양자 이상 홀 효과를 실현하기 위한 플랫폼을 구축하는 것.

제안 방법

• MnBi2Te4 및 Bi2Te3-종결 표면에서 전자 밴드 구조와 표면 갭을 탐사하기 위해 각도 분해 광전자 방출 분광법(ARPES)을 사용한다.
• 내재된 MnBi2Te4-(Bi2Te3)3 이중구조를 가진 스토이키오메트릭 MnBi8Te13의 합성을 통해 내재된 자기성 및 위상적 성질을 확보한다.
• 디랙 갭의 진화와 투성점에서의 갭 열림을 추적하기 위해 온도 의존성 ARPES 측정을 수행한다.
• 반자성 반도체 상에서 반정수 표면 이상 홀 효과가 예측되는 것과 같은 이론적 모델링을 수행한다.
• 표면 종결층 제어를 통해 MnBi2Te4와 Bi2Te3 표면을 분리하여 자기성 및 위상 표면 상태를 분석한다.
• 고해상도 ARPES를 사용하여 막대한 디랙 갭(~28 meV)과 반대편 표면에서의 갭 없는 디랙 콘을 해상도 있게 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MnBi8Te13에서 자화가 Bi2Te3-종결 표면에서는 존재하지 않고 MnBi2Te4 표면에만 국한되는가?
• RQ2 MnBi2Te4 표면에서의 디랙 갭은 자화에 의해 유도되며, 투성점에서 열리는가?
• RQ3 반자성 반도체 상 상태가 아키온 전기역학에 의해 예측된 바와 같이 반정수 표면 이상 홀 효과를 지닐 수 있는가?
• RQ4 내재된 이중구조 형성이 반자성 반도체 상 상태를 안정화하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 표면 갭의 온도 진화가 자화에 의해 유도된 위상 전이의 증거로 어떻게 기능하는가?

주요 결과

• 각도 분해 광전자 방출 분광법으로 측정한 MnBi2Te4 표면의 디랙 갭은 약 ~28 meV이다.
• 디랙 갭은 온도가 상승함에 따라 단조롭게 감소하며, 정확히 투성점에서 열리며, 자화에 의해 유도된 위상 갭임을 직접적인 분광학적 증거로 제공한다.
• 반대편 Bi2Te3-종결 표면은 갭 없는 디랙 콘을 나타내어 반자성 반도체 상의 반절성 특성을 확인한다.
• 시스템은 공간적으로 비대칭적인 자화를 보이며, 자기적 질서는 MnBi2Te4 표면에만 국한되고 Bi2Te3-종결 표면에는 존재하지 않는다.
• 이론적 분석은 반자성 반도체 상 상태가 반정수 표면 이상 홀 효과를 지닐 수 있음을 확인하며, 이는 고체 물리에서 아키온 전기역학의 직접적 서명이다.
• 이 연구는 MnBi8Te13이 온도 제어를 통해 조절 가능한 위상 갭을 지닌 첫 번째 내재된, 스토이키오메트릭 물질로서 반자성 반도체 상 상태를 나타낸다.