[논문 리뷰] Variety of magnetic topological phases in the (MnBi$_2$Te$_4$)(Bi$_2$Te$_3$)$_m$ family

И. И. Климовских, M. M. Otrokov외 24명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 25.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 69인용 수 38

한 줄 요약

본 논문은 tunable 시리즈의 intrinsic magnetic topological insulators (MnBi2Te4)(Bi2Te3)m를 구현하여 AFM에서 FM으로의 결합 전이 및 m≥3에서 표면 상태를 보존하는 2D 무질서한 자기 상태를 보이는 crossover를 보인다.

ABSTRACT

Quantum states of matter combining non-trivial topology and magnetism attract a lot of attention nowadays; the special focus is on magnetic topological insulators (MTIs) featuring quantum anomalous Hall and axion insulator phases. Feasibility of many novel phenomena that \emph{intrinsic} magnetic TIs may host depends crucially on our ability to engineer and efficiently tune their electronic and magnetic structures. Here, using angle- and spin-resolved photoemission spectroscopy along with \emph{ab initio} calculations we report on a large family of intrinsic magnetic TIs in the homologous series of the van der Waals compounds (MnBi$_2$Te$_4$)(Bi$_2$Te$_3$)$_m$ with $m=0, ..., 6$. Magnetic, electronic and, consequently, topological properties of these materials depend strongly on the $m$ value and are thus highly tunable. The antiferromagnetic (AFM) coupling between the neighboring Mn layers strongly weakens on moving from MnBi2Te4 (m=0) to MnBi4Te7 (m=1), changes to ferromagnetic (FM) one in MnBi6Te10 (m=2) and disappears with further increase in m. In this way, the AFM and FM TI states are respectively realized in the $m=0,1$ and $m=2$ cases, while for $m \ge 3$ a novel and hitherto-unknown topologically-nontrivial phase arises, in which below the corresponding critical temperature the magnetizations of the non-interacting 2D ferromagnets, formed by the \MBT\, building blocks, are disordered along the third direction. The variety of intrinsic magnetic TI phases in (MnBi$_2$Te$_4$)(Bi$_2$Te$_3$)$_m$ allows efficient engineering of functional van der Waals heterostructures for topological quantum computation, as well as antiferromagnetic and 2D spintronics.

연구 동기 및 목표

• tun able interlayer coupling으로 조정 가능한 intrinsic magnetic topological insulators 탐색의 동기를 부여한다.
• 비자성 spacer m의 변화가 자기 질서 및 위상적 특성을 어떻게 조정하는지 조사한다.
• MnBi2Te4(Bi2Te3)m 시리즈에서 표면상태와 Dirac 콘의 거동을 특성화한다.
• vdW 이질접합을 이용한 위상양자컴퓨팅 및 2D 스핀트로닉스 응용 가능성을 보여준다.

제안 방법

• 각도분해 광전자분광(ARPES) 및 스핀 ARPES와 전산 DFT 계산을 결합하여 전자 구조와 자기 구조를 매핑한다.
• 자기측정(SQUID) 및 저항률을 온도 및 자기장 의존으로 분석하여 자기 배열을 평가한다.
• Mn 3d 상태에 대해 GGA+U를 사용하는 DFT에 스핀궤도 커플링과 반데르 Waals 보정(DFT-D2/DFT-D3)을 포함한다.
• FM 및 AFM 구성을 위한 총에너지를 계산하여 계층 간 교환 경향성과 자기 이방성을 추출한다.
• 다양한 표면 말단(SL 대 QL)에 대한 표면 전자구조를 모델링하고 ARPES와 비교하여 표면상태를 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MnBi2Te4 층 사이의 spacer m을 증가시켰을 때 계층 간 교환결합이 어떻게 변하여 AFM에서 FM으로, 다시 소멸로 이어지는가?
• RQ2 m의 함수로 어떤 위상( AFM TI, FM TI, 2D 무질서한 자기 MTI)이 나타나는가?
• RQ3 표면 말단이 이 물질들에서 Dirac 표면상태와 그 간격에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 ARPES와 DFT가 MnBi2Te4(Bi2Te3)m 계열에서 위상 표면상태의 존재와 거동을 공동으로 드러낼 수 있는가?
• RQ5 이러한 tunable한 위상들이 QAH, axion 절연체 및 2D 스핀트로닉스 응용에 어떤 함의를 가지는가?

주요 결과

• m=0 및 m=1 (MnBi2Te4 및 MnBi4Te7) 은 반자성적 위상절연체(AF M TI) 상태를 구현한다.
• m=2 (MnBi6Te10) 는 강자성 위상절연체(FM TI)가 된다.
• m≥3의 경우 계층 간 교환이 사실상 소멸하여 Tc 아래에서 [0001] 방향으로 무질서한 자화가 형성된 2D FM 주문 블록 구조를 형성한다.
• ARPES는 표면 말단 의존적이며 MnBi6Te10에서 FM 상태에서 Dirac 점의 갭(DP1 ~0.22 eV at 60 K, ~50 meV 갭 at 1 K for SL termination)을 보이는 위상 표면상태를 드러낸다.
• MnBi4Te7에서는 S-breaking 표면(SL 말단에서 약 70 meV의 갭; QL 말단에서 복합적인 회피 교차를 보이는)에서 TSS가 양쪽에서 갭을 가진다.
• DFT는 AFM MnBi4Te7에 대해 ~0.18 eV의 벌크 밴드갭을 확인하고 Z2=1 AFM TI 상태(S = ΘT1/2)를 예측하며 실험적 TSS 거동과 일치한다.
• 이 계열은 계층 간 교환 및 표면상태 위상을 tunable하게 제공하여 고유 QAH, axion 절연체 및 Majorana 관련 현상뿐 아니라 2D 스핀트로닉 응용을 가능하게 한다.