[论文解读] Delicate Ferromagnetism in MnBi$_6$Te$_{10}$

Chenhui Yan, Yanglin Zhu+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 36被引用 4

一句话总结

本研究展示了在MnBi₆Te₁₀中通过无序介导的铁磁性，其中Mn空位和Mn迁移稳定了可调的铁磁基态，其在狄拉克点处具有15 meV的能隙。通过ARPES、TEM和磁化率测量，研究确定了13 K的居里温度，并证实了在铁磁相中存在由对称性破缺导致的拓扑表面态能隙，而反铁磁相在所有表面终止面上均保持无能隙。

ABSTRACT

Tailoring magnetic orders in topological insulators is critical to the realization of topological quantum phenomena. An outstanding challenge is to find a material where atomic defects lead to tunable magnetic orders while maintaining a nontrivial topology. Here, by combining magnetization measurements, angle-resolved photoemission spectroscopy, and transmission electron microscopy, we reveal disorder-enabled, tunable magnetic ground states in MnBi$_6$Te$_{10}$. In the ferromagnetic phase, an energy gap of 15 meV is resolved at the Dirac point on the MnBi$_2$Te$_4$ termination. In contrast, antiferromagnetic MnBi$_6$Te$_{10}$ exhibits gapless topological surface states on all terminations. Transmission electron microscopy and magnetization measurements reveal substantial Mn vacancies and Mn migration in ferromagnetic MnBi$_6$Te$_{10}$. We provide a conceptual framework where a cooperative interplay of these defects drives a delicate change of overall magnetic ground state energies, and leads to tunable magnetic topological orders. Our work provides a clear pathway for nanoscale defect-engineering towards the realization of topological quantum phases.

研究动机与目标

• 识别并表征MnBi₆Te₁₀中保持非平凡拓扑性质的铁磁性拓扑绝缘体相。
• 研究原子尺度缺陷——特别是Mn空位和Mn迁移——如何调控层间磁相互作用。
• 确定无序是否能在不损害自旋-轨道耦合或拓扑保护的前提下稳定铁磁基态。
• 建立缺陷工程与MnBi₂Te₄衍生材料中可调磁性拓扑相之间的直接关联。

提出的方法

• 采用高分辨率激光角分辨光电子能谱（ARPES）在MnBi₆Te₁₀的不同表面终止面上测绘电子能带结构。
• 通过环形暗场透射电子显微镜（ADF-STEM）成像，直接观察Mn空位及铁磁相中Mn从MnBi₂Te₄层向Bi₂Te₃层的迁移。
• 测量零场冷却（ZFC）和场冷却（FC）磁化率，以识别居里温度（T_C）和磁相变。
• 在c轴和ab平面方向的磁场下获取等温磁化曲线，以确认铁磁有序性和各向异性。
• 利用X射线衍射（XRD）确认铁磁相和反铁磁相MnBi₆Te₁₀样品的结构完整性和相纯度。
• 提出一种基于缺陷介导的Mn空位与Mn迁移协同作用的理论框架，以解释可调磁性基态的形成机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 MnBi₆Te₁₀中的原子缺陷是否能在保持非平凡拓扑性质的同时诱导稳定的铁磁基态？
• RQ2 Mn空位和Mn迁移在改变MnBi₆Te₁₀层间磁耦合方面起什么作用？
• RQ3 MnBi₆Te₁₀的铁磁相是否在狄拉克点处具有由ARPES证实的对称性破缺能隙？
• RQ4 在不同表面终止条件下，MnBi₆Te₁₀的铁磁相与反铁磁相在磁性和电子性质上有何差异？
• RQ5 能否通过缺陷工程在MnBi₆Te₁₀中调节磁性转变温度（T_C）？

主要发现

• 在MnBi₆Te₁₀中，铁磁基态在13 K的居里温度下稳定，这是迄今为止报道的MnBi₂Te₄衍生化合物中最高的。
• ARPES测量显示，在铁磁相的MnBi₂Te₄（MBT）终止面上，狄拉克点处存在15 meV的能隙，该能隙与居里温度一致。
• 相比之下，反铁磁相在任何表面终止面上均无可观测能隙，证实了无能隙的拓扑表面态。
• ADF-STEM成像直接观测到MBT层中的Mn空位，以及在铁磁相中Mn从MBT层向Bi₂Te₃层的迁移。
• 磁化率测量在反铁磁相中于10.2 K处显示出尖锐的Λ形峰，表明存在长程反铁磁转变。
• 提出一种概念性框架，其中Mn空位与Mn迁移的协同作用可降低层间反铁磁耦合，从而实现可调磁性拓扑相。