[논문 리뷰] Magnetization of Topological Surface States of Topological Insulators by Two-dimensional Ferromagnetism

Yusheng Hou, Ruqian Wu|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 20.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 1인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 2D 페로자성 CrI3의 산란을 통해 3D 토폴로지적 절연체 Bi2Se3의 토폴로지적 표면 상태를 자화시켜 상당한 밴드 갭을 가진 초전도체를 실현할 수 있음을 보여주며, 특히 두꺼운 Bi2Se3 계층(6개 이상의 퀠터플렛 레이어)에서 효과를 발휘한다. 이는 고온에서의 양자 비정상 홀 효과를 실험적으로 구현할 수 있는 유망한 길을 제시한다.

ABSTRACT

Magnetization of the topological surface states of topological insulators is critical to designing and creating next-generation innovative and novel spintronic devices. Here we discover through density functional calculations that the emerging two-dimensional (2D) ferromagnetism discovered in the insulating monolayer CrI3 by recent experiments [B. Huang et al., Nature (London) 546, 270 (2017)] can magnetize the topological surface states of the prototypical three-dimensional (3D) topological insulator Bi2Se3 by building van der Waals (vdW) heterostructures CrI3/Bi2Se3/CrI3. Excitingly, such heterostructures with six and more quintuple layers of Bi2Se3 are the long-term sought Chern insulators. Moreover, the band gaps of these Chern insulators are noticeably increased by reducing their vdW gaps. Our work demonstrates contacting 3D topological insulators with the emerging 2D ferromagnetism is a highly promising frontier to realize the high-temperature quantum anomalous Hall effect experimentally in the future.

연구 동기 및 목표

• 3D 토폴로지적 절연체의 토폴로지적 표면 상태에 2D 페로자성 물질을 이용해 자화를 유도할 수 있는지 탐색한다.
• 실험적으로 접근 가능한 온도에서 양자 비정상 홀 효과를 실현하는 데 오랫동안 지속된 과제를 해결한다.
• CrI3/Bi2Se3/CrI3의 반데르발스 이종구조가 상당한 밴드 갭을 가진 초전도체를 형성할 수 있는지 조사한다.
• Bi2Se3의 두께와 반데르발스 갭이 이종구조의 토폴로지적 및 자기적 성질에 미치는 영향을 규명한다.

제안 방법

• CrI3/Bi2Se3/CrI3 반데르발스 이종구조의 전자적 및 자기적 성질을 모델링하기 위해 밀도함수이론(DFT) 계산을 사용한다.
• Bi2Se3의 퀄터플렛 레이어 수를 다양하게 조절하여, 특히 6개 이상의 레이어에 집중한다.
• 비자명한 초전도체 상이 나타나는지 확인하기 위해 밴드 구조와 스핀 텍스처를 분석한다.
• 반데르발스 갭을 줄일 경우 밴드 갭 크기와 토폴로지적 특성에 미치는 영향을 평가한다.
• 스핀 정렬이 어떻게 이루어지는지 확인하기 위해 스핀 분포 계산을 수행하고, Bi2Se3 표면 상태와의 결합을 분석한다.
• 이종구조 시스템에서의 안정성과 자기 근접 효과를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2D 페로자성 CrI3는 Bi2Se3의 토폴로지적 표면 상태에 강력한 자화를 유도할 수 있는가?
• RQ2 충분한 두께의 Bi2Se3를 가진 CrI3/Bi2Se3/CrI3 이종구조는 비자명한 초전도체 상을 나타내는가?
• RQ3 CrI3와 Bi2Se3 사이의 반데르발스 갭을 줄일 경우 토폴로지적 밴드 갭은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 Bi2Se3의 두께는 이 이종구조 시스템에서 큰 갭을 가진 초전도체를 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 이 이종구조 설계는 고온에서의 양자 비정상 홀 효과를 실험적으로 실현할 수 있는가?

주요 결과

• CrI3/Bi2Se3/CrI3 이종구조는 2D 페로자성 CrI3의 근접 효과를 통해 Bi2Se3의 토폴로지적 표면 상태를 성공적으로 자화시킨다.
• 6개 이상의 퀄터플렛 레이어를 가진 이종구조는 비자명한 초전도체 상을 나타내며, 이는 그들의 토폴로지적 성질을 확인한다.
• CrI3와 Bi2Se3 사이의 반데르발스 갭을 줄일수록 초전도체 상태의 밴드 갭이 상당히 증가한다.
• 시스템은 고온에서의 양자 비정상 홀 효과 응용을 위한 안정적이고 큰 갭을 가진 토폴로지적 상태를 나타낸다.
• 자기 근접 효과는 Bi2Se3 표면 상태에 강력한 페로자성 질서를 유도할 정도로 충분히 강하다.
• 결과적으로, 2D 페로자성과 3D 토폴로지적 절연체를 이용해 고온에서의 토폴로지적 양자 장치를 설계할 수 있는 실현 가능한 길을 확립한다.