[論文レビュー] Nature of the Dirac gap modulation and surface magnetic interaction in axion antiferromagnetic topological insulator MnBi$_2$Te$_4$

A. M. Shikin, D. A. Estyunin+19 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 68被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、MnBi₂Te₄に二つの異なるディラックギャップ状態—62–67 meV および 15–18 meV—が存在することを明らかにした。両者ともネール温度（24.5 K）を超えてギャップが開いているが、これは短距離的なキラルスピンフラクチュエーションに起因する。スピン分解ARPESおよびXMCDの結果、大ギャップ状態では表面フェリ磁性秩序が観察され、小ギャップ状態では磁化モーメントが減少している。これは、構造欠陥による第二マンガン層内の競合磁化モーメントに起因するトポロジカル表面状態のシフトと関連している。

ABSTRACT

Modification of the gap at the Dirac point (DP) in antiferromagnetic (AFM) axion topological insulator MnBi$_2$Te$_4$ and its electronic and spin structure has been studied by angle- and spin-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) under laser excitation with variation of temperature (9-35~K), light polarization and photon energy. We have distinguished both a large (62-67~meV) and a reduced (15-18~meV) gap at the DP in the ARPES dispersions, which remains open above the Néel temperature ($T_\mathrm{N}=24.5$~K). We propose that the gap above $T_\mathrm{N}$ remains open due to short-range magnetic field generated by chiral spin fluctuations. Spin-resolved ARPES, XMCD and circular dichroism ARPES measurements show a surface ferromagnetic ordering for large-gap sample and significantly reduced effective magnetic moment for the reduced-gap sample. These effects can be associated with a shift of the topological DC state towards the second Mn layer due to structural defects and mechanical disturbance, where it is influenced by a compensated effect of opposite magnetic moments.

研究の動機と目的

• axion反強磁性トポロジカル絶縁体MnBi₂Te₄における複数のディラックギャップ状態の起源を解明すること。
• キラルスピンフラクチュエーションがネール温度を超えてギャップを維持する役割を特定すること。
• スピン分解測定を用いて、表面磁性秩序および有効磁化モーメントとディラックギャップサイズの相関関係を明らかにすること。
• 構造欠陥および層特異的磁性相互作用がトポロジカル表面状態およびそのスピンテクスチャーに与える影響を調査すること。
• 観察されたギャップ変調と物質のアキソン電磁力学およびトポロジカル応答との関連を確立すること。

提案手法

• 角度およびスピン分解光電子分光法（ARPES）を用い、光子エネルギー、偏光状態、温度（9–35 K）を変化させて測定を実施。
• 東京大学でs偏光光（7 eV）を用いたスピン分解ARPESを実施し、スピン構造および磁化モーメントの低下を評価。
• SPring-8にてX線磁気円二色性（XMCD）およびX線吸収分光法（XAS）を実施し、元素別磁化モーメントを測定。
• 共鳴光電子分光法を用いてマンガン3dコア準位近傍のスペクトル特徴を強化し、電子相関の感度を向上。
• スピンオービット結合およびスカラー相対論的効果を含むDFT（GGA+UおよびDFT-D3補正）を用いた第一原理電子構造計算を実施。
• 第一原理モデリングを用いて、マンガン層の積層状態および構造欠陥が表面状態分散および磁性結合に与える影響を分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MnBi₂Te₄に共存する二つの異なるディラックギャップ状態（62–67 meV および 15–18 meV）が、ネール温度を超えてギャップが開いている原因は何か？
• RQ2 長距離磁気秩序が存在しないにもかかわらず、キラルスピンフラクチュエーションがどのようにネール温度を超えて磁気ギャップを維持しているのか？
• RQ3 小ギャップ状態ではなぜ有効磁化モーメントが大ギャップ状態と比べて顕著に減少しているのか？
• RQ4 構造欠陥および競合磁化モーメントの影響により、トポロジカル表面状態がマンガン層のどの位置にシフトしているのか？
• RQ5 表面磁性秩序が観察されたディラックギャップサイズおよびスピンテクスチャーとどの程度相関しているのか？

主な発見

• ARPESスペクトルから、62–67 meV および 15–18 meV の二つの異なるディラックギャップが観察され、両者ともネール温度（24.5 K）を超えてギャップが開いている。
• TNを超えて持続するギャップは、長距離的反強磁性秩序ではなく、短距離的キラルスピンフラクチュエーションが有効磁場を生成することで生じるとされる。
• スピン分解ARPESにより、大ギャップサンプルでは明確な表面フェリ磁性秩序が観察され、顕著な有効磁化モーメントが確認された。
• 小ギャップサンプルでは、有効磁化モーメントが著しく低下しており、表面磁性が弱まっていることが示された。
• 構造欠陥および機械的応力により、トポロジカル表面状態が第二マンガン層にシフトし、逆向きの磁化モーメントが相殺されることで、ネット磁気応答が減少した。
• XMCDおよび円二色性ARPESにより、ギャップサイズ、表面磁化モーメント、およびトポロジカル状態の空間局在性の相関関係が確認された。