[论文解读] Strongly Gapped Topological Surface States on Protected Surfaces of Antiferromagnetic MnBi$_4$Te$_7$ and MnBi$_6$Te$_{10}$

Kyle Gordon, Hongyi Sun+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 39被引用 17

一句话总结

本研究表明，当MnBi₄Te₇和MnBi₆Te₁₀的MnBi₂Te₄表面被单层Bi₂Te₃保护时，其表现出大而强关带的拓扑表面态，实现约100 meV的能隙。通过小光斑角分辨光电子能谱（ARPES），作者证明在这些受保护的结构中，表面磁性无序被抑制，使这些材料成为实现量子反常霍尔效应的理想候选。

ABSTRACT

The search for materials to support the Quantum Anomalous Hall Effect (QAHE) have recently centered on intrinsic magnetic topological insulators (MTIs) including MnBi$_2$Te$_4$ or heterostructures made up of MnBi$_2$Te$_4$ and Bi$_2$Te$_3$. While MnBi$_2$Te$_4$ is itself a MTI, most recent ARPES experiments indicate that the surface states on this material lack the mass gap that is expected from the magnetism-induced time-reversal symmetry breaking (TRSB), with the absence of this mass gap likely due to surface magnetic disorder. Here, utilizing small-spot ARPES scanned across the surfaces of MnBi$_4$Te$_7$ and MnBi$_6$Te$_{10}$, we show the presence of large mass gaps (~ 100 meV scale) on both of these materials when the MnBi$_2$Te$_4$ surfaces are buried below one layer of Bi$_2$Te$_3$ that apparently protects the magnetic order, but not when the MnBi$_2$Te$_4$ surfaces are exposed at the surface or are buried below two Bi$_2$Te$_3$ layers. This makes both MnBi$_4$Te$_7$ and MnBi$_6$Te$_{10}$ excellent candidates for supporting the QAHE, especially if bulk devices can be fabricated with a single continuous Bi$_2$Te$_3$ layer at the surface.

研究动机与目标

• 识别能够支持拓扑表面态中大能隙的本征磁性拓扑绝缘体，这是实现量子反常霍尔效应（QAHE）的前提条件。
• 研究表面终止和盖帽层对MnBi₂Te₄基范德瓦尔斯异质结构中磁序和拓扑能隙形成的影响。
• 确定单层Bi₂Te₃盖帽层是否能抑制磁性无序并稳定MnBi₄Te₇和MnBi₆Te₁₀中的时间反演对称性破缺。
• 通过测量拓扑能隙的大小和鲁棒性，评估MnBi₄Te₇和MnBi₆Te₁₀作为QAHE可行平台的潜力。

提出的方法

• 采用小光斑角分辨光电子能谱（ARPES）对MnBi₄Te₇和MnBi₆Te₁₀晶体的电子结构进行高空间和能量分辨率测绘。
• 通过裂解晶体系统调节表面终止，以暴露直接的MnBi₂Te₄表面或被一层或多层Bi₂Te₃覆盖的表面。
• 通过检查狄拉克点附近表面态的能量分裂，分析拓扑质量能隙的存在与大小。
• 通过比较不同表面终止的样品，从观察到的能隙的稳定性和大小推断盖帽层对磁序的影响。
• 研究聚焦于反铁磁性的MnBi₄Te₇和MnBi₆Te₁₀，它们是具有层状结构的本征磁性拓扑绝缘体。
• 通过测量能隙大小，实验检验了时间反演对称性破缺的理论预期，若时间反演对称性破缺被保留，则能隙应为有限值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在MnBi₄Te₇和MnBi₆Te₁₀上，单层Bi₂Te₃盖帽层是否能抑制表面磁性无序并稳定大的拓扑质量能隙？
• RQ2 为何在ARPES中，当MnBi₂Te₄表面直接暴露于真空时，尽管其为本征磁性拓扑绝缘体，却无法观测到可测量的能隙？
• RQ3 表面终止和层堆叠在保持MnBi₂Te₄基材料中时间反演对称性破缺方面起什么作用？
• RQ4 当被单层Bi₂Te₃保护时，MnBi₄Te₇和MnBi₆Te₁₀中的拓扑表面态是否能实现约100 meV的关带，以满足QAHE的要求？
• RQ5 这些材料中的能隙大小如何随覆盖在MnBi₂Te₄表面的Bi₂Te₃层数量而变化？

主要发现

• 当被单层Bi₂Te₃盖帽层保护时，在MnBi₄Te₇和MnBi₆Te₁₀的受保护MnBi₂Te₄表面上观察到约100 meV的大拓扑质量能隙。
• 当MnBi₂Te₄表面直接暴露于真空时，未观察到显著能隙，表明存在强烈的表面磁性无序，导致时间反演对称性破缺。
• 在MnBi₂Te₄表面之上再覆盖第二层Bi₂Te₃也无法稳定大的能隙，表明仅单层保护层能提供最佳的磁序保护。
• 观察到的能隙大小与本征磁性拓扑绝缘体中时间反演对称性破缺的理论预期一致。
• 结果表明，单层Bi₂Te₃表面保护对于在这些材料中实现稳定且关带的拓扑表面态至关重要。
• 这些发现确立了MnBi₄Te₇和MnBi₆Te₁₀作为实现量子反常霍尔效应的有前途候选者，尤其适用于具有单层Bi₂Te₃盖帽层的体材料器件。