[论文解读] Half-quantized anomalous Hall effect in magnetic axion insulator MnBi$_2$Te$_4$/(Bi$_2$Te$_3$)$_n$

Mingqiang Gu, Jiayu Li+5 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 31被引用 3

一句话总结

本研究证明，通过调节磁化和层间跃迁，MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)ₙ异质结构可在其表面实现具有半量子化反常霍尔效应的拓扑轴子绝缘体相。第一性原理和模型哈密顿量计算揭示了三维拓扑相图，表面反常霍尔电导率局域化在e²/2h，为观测长期寻求的半量子化反常霍尔效应提供了现实平台。

ABSTRACT

The rising of topological materials MnBi$_2$Te$_4$/(Bi$_2$Te$_3$)$_n$ with built-in magnetization provides a great platform for the realization of long-sought axion insulators with time-reversal breaking. As the direct evidence of the quantized bulk magnetoelectric coupling, half-quantized anomalous Hall effect at the gapped surface are predicted in axion insulators based on simplified models, yet to be realized. Using both model Hamiltonian and first-principles calculations, we demonstrate that by tailoring the magnetization and interlayer electron hopping, a rich three-dimensional topological phase diagram can be established based on MnBi$_2$Te$_4$/(Bi$_2$Te$_3$)$_n$ systems. It includes three types of topologically distinct insulating phases bridged by a Weyl semimetal phase. Among them, we find that the surface anomalous Hall conductivity in the axion-insulator phase is a well-localized quantity either saturated at or oscillating around $e^2/2h$, depending on the magnetic homogeneity. With the discussion of the experimental prerequisites and proposals, our study is significant step forward towards the realization of half-quantized surface anomalous Hall effect in realistic material systems.

研究动机与目标

• 通过调节磁化和层间跃迁，在MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)ₙ异质结构中建立三维拓扑相图。
• 确定轴子绝缘体相出现的条件，其表面反常霍尔电导率具有良好的局域化特性。
• 为在真实材料体系中实现半量子化反常霍尔效应提供理论框架。
• 通过分析磁性均匀性和层间耦合效应，弥合简化模型与实验可行性之间的差距。
• 提出在MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)ₙ中观测半量子化反常霍尔效应的实验前提条件。

提出的方法

• 采用模型哈密顿量描述具有可调磁化和层间跃迁的MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)ₙ超晶格的电子结构。
• 使用第一性原理计算验证模型预测，并评估该体系的电子和拓扑性质。
• 通过分析磁序和层间耦合对表面反常霍尔电导率的影响，识别轴子绝缘体相。
• 通过计算拓扑不变量并识别绝缘体、外尔半金属和拓扑绝缘体相之间的相变，绘制拓扑相图。
• 评估在磁性均匀性和层间耦合变化下，半量子化反常霍尔效应的鲁棒性。
• 将理论预测与实验要求进行比较，以指导未来在真实材料中测量反常霍尔效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过可控调节磁化和层间跃迁，能否在MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)ₙ异质结构中实现具有半量子化反常霍尔效应的轴子绝缘体相？
• RQ2 磁性非均匀性如何影响轴子绝缘体相中表面反常霍尔电导率的局域化和量化特性？
• RQ3 MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)ₙ的完整拓扑相图是什么，包括绝缘体、外尔半金属和拓扑相之间的相互作用？
• RQ4 决定该体系中半量子化反常霍尔效应出现的关键材料参数是什么？
• RQ5 在MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)ₙ中观测半量子化反常霍尔效应所需的实验条件是什么？

主要发现

• 在MnBi₂Te₄/(Bi₂Te₃)ₙ的轴子绝缘体相中，表面反常霍尔电导率要么饱和在e²/2h，要么在磁性均匀性变化下围绕e²/2h振荡。
• 建立了丰富的三维拓扑相图，包含三种拓扑上不同的绝缘相，通过外尔半金属相相互连接。
• 当磁序均匀时，半量子化反常霍尔效应在实际条件下具有鲁棒性，表明其具有实验可行性。
• 第一性原理计算证实了模型哈密顿量的预测，验证了具有量化表面响应的轴子绝缘体相的出现。
• 发现表面反常霍尔电导率是一个高度局域化的物理量，使其成为识别轴子绝缘体相的可靠指标。
• 本研究通过识别关键材料参数和观测半量子化反常霍尔效应的条件，为实验实现提供了清晰路径。