[論文レビュー] Scaling and nonlocal behavior of the Chern insulator state in magnetic topological insulator MnBi2Te4 device

Zhe Ying, Shuai Zhang+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 26, 2020

Topological Materials and Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、マンガンヒスジテルルライド（MnBi₂Te₄）フラクタルにおけるチェーン・インスレーター状態のスケーリングおよび非局所的輸送行動を調査し、ネール温度（22 K）まで0.97 h/e²の量子化ホール伝導度を示した。温度および電流を調整することで、エネルギー損失のないキラルエッジ状態から可変範囲ホッピングへの遷移を明らかにし、22 Kを超える領域では熱励起が主な輸送メカニズムであることを特定した。

ABSTRACT

We observe the Chern insulator state in MnBi2Te4 flakes, and it can keep quantized up to the N\'eel temperature 22 K, with the quantized Hall plateau over 0.97 h/e2, which allows us to study the scaling law of the Chern insulator state systematically. The temperature and current can drive the chiral edge state from the well-developed dissipationless state to the variable range hopping, revealing the breakdown physics of the Chern insulator. When the temperature is larger than 22 K, the thermal activation would dominate the transport, which is confirmed by both local and nonlocal measurement. This work helps us understand the novel scaling physics of the Chern insulator state in MnBi2Te4, and it may be helpful to application in the new generation electronics.

研究の動機と目的

• マンガンヒスジテルルライド（MnBi₂Te₄）におけるチェーン・インスレーター状態のスケーリング行動を体系的に調査すること。
• 温度および電流を変化させた際のキラルエッジ状態の破壊物理学を理解すること。
• トポロジカル状態における局所的および非局所的輸送メカニズムの区別すること。
• 22 Kのネール温度を超えた領域で支配的となる輸送領域を特定すること。

提案手法

• 剥離したMnBi₂Te₄フラクタルにおける量子化ホール抵抗の測定。
• エッジ状態の進化を調査するため、温度および電流を体系的に変化させた。
• 局所的および非局所的電圧測定を用いて輸送メカニズムを区別した。
• 輸送データの解析を通じてスケーリング行動を特定し、可変範囲ホッピングへの遷移を同定した。
• トポロジカル・インスレーター状態の理論的予測と実験結果を比較した。
• 22 Kを超える領域で熱励起が主な輸送プロセスであると特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マンガンヒスジテルルライド（MnBi₂Te₄）におけるチェーン・インスレーター状態は、温度および電流の変化に伴いどのようにスケーリングするか？
• RQ2 チェーン・インスレーター相におけるキラルエッジ状態の破壊に、どのような輸送メカニズムが支配的か？
• RQ3 局所的および非局所的測定は、エッジ状態の挙動をどのように異なって探査するか？
• RQ4 22 Kのネール温度を超える領域で、熱励起はどのような役割を果たすか？
• RQ5 さまざまな条件下でも、量子化ホールプラトーはどの程度保持されるか？

主な発見

• マンガンヒスジテルルライド（MnBi₂Te₄）におけるチェーン・インスレーター状態は、0.97 h/e²の量子化ホールプラトーを示し、高精度なトポロジカル輸送を示している。
• 量子化状態はネール温度22 Kまで持続しており、トポロジカル相の強靭性を裏付けている。
• 22 Kを超える温度領域では、局所的および非局所的測定の両方で熱励起が輸送を支配していることが確認された。
• 温度および電流が上昇するに従い、キラルエッジ状態はエネルギー損失のない状態から可変範囲ホッピングへと遷移する。
• 非局所的測定により、秩序のないエッジ輸送の破綻が明らかとなり、非秩序的ホッピングメカニズムの出現を支持する。
• チェーン・インスレーター状態のスケーリング行動が体系的に観測され、トポロジカル相の安定性に関する洞察が得られた。