[论文解读] Non-reciprocal charge transport in an intrinsic magnetic topological insulator MnBi2Te4

Zhaowei Zhang, Naizhou Wang+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用 2

一句话总结

本研究展示了在本征MnBi2Te4（一种范德华磁性拓扑绝缘体）中，通过栅压调控的非互易电荷输运。通过利用少原子层MnBi2Te4中的手性边缘态，研究人员观察到磁可切换、位置敏感的非互易电阻，其可被栅压有效调制，确立了手性作为拓扑自旋电子学中关键的调控参数。

ABSTRACT

Symmetries, quantum geometries and electronic correlations are among the most important ingredients of condensed matters, and lead to nontrivial phenomena in experiments, for example, non-reciprocal charge transport. Here we report the non-reciprocal charge transport in the intrinsic magnetic topological insulator MnBi2Te4. The current direction relevant resistance is observed at chiral edges, which is magnetically switchable, edge position sensitive and septuple layer number controllable. Applying gate voltage can effectively tune the non-reciprocal resistance. The observation and manipulation of non-reciprocal charge transport indicate the fundamental role of chirality in charge transport of MnBi2Te4, and pave ways to develop van der Waals spintronic devices by chirality engineering.

研究动机与目标

• 研究本征磁性拓扑绝缘体中无掺杂的非互易电荷输运。
• 探讨手性和磁序在耗散输运区域中的作用。
• 在MnBi2Te4中通过栅压和层厚调控非互易电阻。
• 为范德华异质结构中的手性边缘工程建立用于自旋电子应用的平台。

提出的方法

• 采用Al2O3辅助的机械剥离法制备了少层MnBi2Te4纳米片（5-SL和4-SL）。
• 通过掩模版热蒸发沉积金电极，以确保器件高质量。
• 使用底侧Si/SiO2和顶侧石墨/六方氮化硼栅极，将费米能级调制至电荷中性点。
• 通过施加交流电流并检测相反电流方向下的电阻差异，测量非互易电阻。
• 进行磁场和温度依赖的输运测量，以探测量子反常霍尔态和激活能隙。
• 分析霍尔电阻和纵向电阻随栅压、磁场和温度的变化，以提取输运特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在本征磁性拓扑绝缘体（如MnBi2Te4）中观察到非互易电荷输运？
• RQ2 MnBi2Te4中非互易电阻如何依赖于磁场、栅压和层厚？
• RQ3 非互易输运是否具有手性且局限于边缘，是否可被磁性开关？
• RQ4 在MnBi2Te4中，非互易电阻在多大程度上可通过电场栅控实现调制？
• RQ5 在无掺杂条件下，手性和拓扑边缘态在实现非互易输运中起何种作用？

主要发现

• 在低温（约23 K以下）下，5-SL和4-SL MnBi2Te4中观察到非互易电阻，且其表现出明显的电流方向依赖性。
• 非互易电阻具有磁可切换性，在尼尔温度以上（约23 K）或零磁化状态下消失。
• 在电荷中性点（CNP）处，霍尔电阻达到最大值，纵向电阻达到最小值，表明手性边缘输运处于最优状态。
• 非互易电阻具有边缘位置敏感性，器件左侧边缘的效应更强。
• 栅压可有效调制非互易电阻，最大调制效果出现在CNP附近（5-SL为Vg_CNP ≈ 22 V，4-SL为13 V）。
• 通过纵向电阻的阿伦尼乌斯拟合，提取出激活能隙为0.944 meV（5-SL）和0.779 meV（4-SL），证实了拓扑能隙的存在。