[논문 리뷰] Visualization of superparamagnetic dynamics in magnetic topological insulators

Ella Lachman, Andrea F. Young외 11명|eScholarship (California Digital Library)|2015. 06. 16.

Magnetic properties of thin films인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 크롬 도핑된 (Bi,Sb)2Te3 박막에서 초순자성 동역학을 시각화하기 위해 스캐닝 나노SQUID 현미경을 사용하며, 양자 비상수 홀 플레이트au 전이가 약하게 상호작용하는 자화 도메인(~30–50 nm)의 무작위 반전에 의해 유도됨을 밝혀냈다. 기대와는 달리, 게이트 전압 변화가 자성 리라크세이션을 크게 증가시키며 전자적 동역학이 자성 정렬에 영향을 주는 상호작용적 결합을 보이며, 위상 전이의 보편적 스케일링 이론에 도전한다.

ABSTRACT

Quantized Hall conductance is a generic feature of two dimensional electronic systems with broken time reversal symmetry. In the quantum anomalous Hall state recently discovered in magnetic topological insulators, time reversal symmetry is believed to be broken by long-range ferromagnetic order, with quantized resistance observed even at zero external magnetic field. Here, we use scanning nanoSQUID magnetic imaging to provide a direct visualization of the dynamics of the quantum phase transition between the two anomalous Hall plateaus in a Cr-doped (Bi,Sb)$_2$Te$_3$ thin film. Contrary to naive expectations based upon macroscopic magnetometry, our measurements reveal a superparamagnetic state formed by weakly interacting magnetic domains with a characteristic size of few tens of nanometers. The magnetic phase transition occurs through random reversals of these local moments, which drive the electronic Hall plateau transition. Surprisingly, we find that the electronic system can in turn drive the dynamics of the magnetic system, revealing a subtle interplay between the two coupled quantum phase transitions.

연구 동기 및 목표

• 자성 위상 절연체에서의 양자 비상수 홀(QAH) 플레이트au 전이의 근본이 되는 자기적 동역학을 직접 시각화하는 것.
• 일般적으로 부피 측정에서 전기적 및 자기적 전이가 별도로 측정되는 바, 이 둘의 역할을 분리하는 것.
• 시간역행 대칭이 깨진 시스템에서 게이트 전압에 의한 전자적 제어가 자성 리라크세이션 및 불안정한 도메인 동역학에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 동적 자성 불순이 QAH 플레이트au 전이의 보편적 스케일링을 위반하는지 테스트하는 것.

제안 방법

• 3 He 온도에서 200 nm의 공간 해상도를 가진 스캐닝 SQUID-온-팁(SOT) 현미경을 사용해 국소 자기장(Bz)을 맵핑하는 것.
• 자기장 및 게이트 전압 스윕 중에 동시에 전기적 전도도 측정(Rxx, Rxy)과 자기 영상 촬영을 수행하는 것.
• 작은 백게이트 전압 변화(ΔVg ~1–30 V)를 적용하여 자성 리라크세이션 동역학의 반응을 탐색하는 것.
• 전기적 전도도 계수(Rxx, Rxy)를 게이트 전압과 자기장에 대한 함수로 그린 파라메트릭 플롯을 사용해 보편적 관계와 리라크세이션 경로를 드러내는 것.
• 다양한 게이트 전압 및 자기장 조건에서 모멘트 반전 사건의 통계적 분석을 통해 리라크세이션 동역학을 정량화하는 것.
• 자기 영상 데이터와 전기적 측정 데이터를 비교하여 전자적 및 자기적 부분계의 상호작용을 규명하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 크롬 도핑된 (Bi,Sb)2Te3 박막에서 자기 도메인 동역학은 어떻게 양자 비상수 홀 플레이트au 전이를 지배하는가?
• RQ2 게이트 전압 제어는 초순자성 자기 도메인의 리라크세이션에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 평균 자화와 낙착장이 각각 안정적(130 mT)임에도 불구하고, 왜 시스템은 강한 자성 리라크세이션을 보이는가?
• RQ4 관측된 전기적 히스테리시스는 내재된 전자적 상전이가 아니라 자성 동역학에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ5 전자적 및 자기적 부분계의 상호작용은 QAH 플레이트au 전이의 보편성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 자기적 전이가 일관된 도메인 벽 이동이 아니라 약하게 상호작용하는 초순자성 섬의 무작위 반전을 통해 발생하며, 이들의 특징적인 크기는 30–50 nm이다.
• 완전한 자기 포화 상태(1 T)에서도 마이크로미터 이하의 자기 비균일성이 지속되며, 크롬 도핑의 비균일한 분포를 시사한다.
• 단지 ±1 V의 게이트 전압 변화만으로도 자성 리라크세이션을 크게 증가시키며, 전자적 자유도와 자기적 자유도 사이에 강한 상호작용적 결합이 있음을 입증한다.
• 파라메트릭 플롯에서 전기적 전도도 계수는 일정한 Vg 선을 따라 리라크세이션을 보이며, 이는 자성 리라크세이션이 시간에 따른 진화보다 지배적임을 나타내며, SQUID 영상 결과와 일치한다.
• 큰 게이트 전압 스윕(±30 V) 동안도 낙착장은 거의 변화하지 않으며(~130 mT) 평균 자화가 안정함을 시사한다.
• 특히 Hc = 130 mT 근처에서 반복적인 게이트 전압 스윕을 거치며 영구적인 자화 변화가 발생하며, 낮은 에너지 장벽을 가진 불안정한 초순자성 상태가 있음을 나타낸다.