[论文解读] Dimensional Crossover Induced Topological Hall Effect in a Magnetic Topological Insulator

Chang Liu, Yunyi Zang+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2017

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究展示了在Mn掺杂的Bi2Te3薄膜中，由于维度交叉效应，在4个五原子层（QL）厚度时出现的拓扑霍尔效应（THE），此时表面态耦合稳定了磁skyrmion。在3 QL时THE消失，表明在超薄拓扑绝缘体中，由表面间磁耦合驱动的厚度依赖性拓扑相变。

ABSTRACT

We report transport studies of Mn-doped Bi2Te3 topological insulator (TI) films with accurately controlled thickness grown by molecular beam epitaxy. We find that films thicker than 5 quintuple-layer (QL) exhibit the usual anomalous Hall effect for magnetic TIs. When the thickness is reduced to 4 QL, however, characteristic features associated with the topological Hall effect (THE) emerge. More surprisingly, the THE vanishes again when the film thickness is further reduced to 3 QL. Theoretical calculations demonstrate that the coupling between the top and bottom surface states at the dimensional crossover regime stabilizes the magnetic skyrmion structure that is responsible for the THE.

研究动机与目标

• 研究分子束外延生长的Mn掺杂Bi2Te3拓扑绝缘体薄膜中厚度依赖的电子与磁响应。
• 识别在超薄薄膜中拓扑霍尔效应（THE）的出现，并在维度交叉的背景下理解其起源。
• 探讨表面态耦合在稳定导致THE的磁skyrmion自旋织构中的作用。
• 阐明磁性拓扑绝缘体中反常霍尔效应与拓扑霍尔效应的厚度演化关系。

提出的方法

• 采用分子束外延（MBE）技术，精确控制厚度，生长了厚度在3至5个五原子层（QL）之间的Mn掺杂Bi2Te3薄膜。
• 通过输运测量，包括霍尔电阻率，提取了不同厚度下的反常霍尔效应（AHE）和拓扑霍尔效应（THE）贡献。
• 采用理论建模分析4 QL体系中上下表面态之间的耦合，将其与skyrmion形成关联。
• 理论计算证实，表面间交换耦合可稳定手性磁织构，从而实现观测到的THE。

实验结果

研究问题

• RQ1 Mn掺杂Bi2Te3拓扑绝缘体薄膜中霍尔效应的厚度依赖性如何？
• RQ2 为何拓扑霍尔效应仅在4个五原子层出现，而不在3或5 QL时出现？
• RQ3 2D表面态之间的维度交叉如何影响超薄拓扑绝缘体中磁织构的形成？
• RQ4 表面间耦合在稳定导致THE的skyrmion样自旋织构中起什么作用？
• RQ5 观测到的THE是否可归因于拓扑起源，而非传统AHE？

主要发现

• 在4-QL的Mn掺杂Bi2Te3薄膜中，拓扑霍尔效应（THE）显著出现，表明存在非共线自旋织构。
• 在3-QL薄膜中THE消失，表明拓扑自旋织构出现存在临界厚度阈值。
• 在5-QL薄膜中仅观察到传统的反常霍尔效应（AHE），证实厚膜中不存在拓扑霍尔响应。
• 理论分析证实，4-QL体系中的表面间耦合可稳定磁skyrmion，这些skyrmion是观测到THE的根源。
• 在4 QL处的维度交叉诱导了从平凡AHE到非平凡THE的转变，其机制为表面态杂化增强与手性自旋有序。