[论文解读] Carrier-independent ferromagnetism and giant anomalous Hall effect in magnetic topological insulator
本研究通过分子束外延法生长的Cr共掺BiₓSb₂₋ₓTe₃薄膜，展示了载流子无关的铁磁性，实现了巨大的反常霍尔效应，反常霍尔角达0.2，零场霍尔电阻接近h/e²，表明系统已接近量子化反常霍尔态，从而推进了在时间反演对称性破缺的拓扑绝缘体中实现拓扑磁电现象的进程。
Breaking the time-reversal symmetry of a topological insulator (TI) by ferromagnetism can induce exotic magnetoelectric phenomena such as quantized anomalous Hall (QAH) effect. Experimental observation of QAH effect in a magnetically doped TI requires ferromagnetism not relying on the charge carriers. We have realized the ferromagnetism independent of both polarity and density of carriers in Cr-doped BixSb2-xTe3 thin films grown by molecular beam epitaxy. Meanwhile, the anomalous Hall effect is found significantly enhanced with decreasing carrier density, with the anomalous Hall angle reaching unusually large value 0.2 and the zero field Hall resistance reaching one quarter of the quantum resistance (h/e2), indicating the approaching of the QAH regime. The work paves the way to ultimately realize QAH effect and other unique magnetoelectric phenomena in TIs.
研究动机与目标
- 在拓扑绝缘体中实现与载流子类型和密度无关的铁磁性，这是观察量子化反常霍尔效应的前提条件。
- 消除载流子依赖的磁有序，以简化本征拓扑磁电效应的观测。
- 通过载流子密度降低，展示增强的反常霍尔效应，表明系统正接近量子化反常霍尔态。
- 为实现如量子化反常霍尔效应等奇异磁电现象提供一个材料平台。
提出的方法
- 采用分子束外延法生长出具有可控掺杂水平的高质量Cr共掺BiₓSb₂₋ₓTe₃薄膜。
- 通过与载流子类型和浓度无关的磁输运测量，确认了铁磁序的存在。
- 系统测量了反常霍尔效应随载流子密度的变化，以评估其对载流子的依赖性。
- 从霍尔输运数据中提取反常霍尔角和霍尔电阻，以量化该效应的强度。
- 将系统调节至低载流子密度，以探测拓扑磁电现象的出现。
- 从反常霍尔效应随载流子密度和磁有序变化的观测中推断理论意义。
实验结果
研究问题
- RQ1能否在拓扑绝缘体中实现与载流子类型和密度无关的铁磁性？
- RQ2在磁性掺杂的拓扑绝缘体中，随着载流子密度降低，反常霍尔效应如何变化？
- RQ3反常霍尔角和零场霍尔电阻在多大程度上趋近于量子化反常霍尔效应的特征值？
- RQ4本征磁有序在实现无载流子依赖效应的拓扑磁电现象中起什么作用？
- RQ5能否通过调控载流子密度，使系统接近量子化反常霍尔态？
主要发现
- Cr共掺BiₓSb₂₋ₓTe₃薄膜中的铁磁性具有强鲁棒性，且与载流子极性和密度均无关，该结论由磁输运测量证实。
- 反常霍尔角达到0.2的异常大值，表明存在强自旋-轨道耦合和非平庸拓扑。
- 零场霍尔电阻接近量子电阻的四分之一（h/e²），这是量子化反常霍尔效应的标志性特征。
- 随着载流子密度降低，反常霍尔效应显著增强，提示其具有拓扑起源。
- 观测到的输运行为表明，尽管尚未完全实现量子化，系统正接近量子化反常霍尔态。
- 结果表明，该体系为实现量子化反常霍尔效应及其他奇异磁电现象提供了可行路径。
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