[论文解读] Direct probe of ferromagnetic proximity effect at the interface in Fe/SnTe heterostructure by polarized neutron reflectometry

Ryota Akiyama, Ryo Ishikawa+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究通过极化中子反射术（PNR）直接探测了Fe/SnTe异质结界面处的铁磁近邻效应（MPE），证实磁性可穿透至拓扑晶体绝缘体SnTe约3 nm深度，并在室温下保持稳定。结果表明，通过MPE诱导的界面磁性不依赖于磁性掺杂带来的无序，从而保留了对量子反常霍尔效应和轴子绝缘体态至关重要的拓扑表面态。

ABSTRACT

Introducing magnetic order into a topological insulator (TI) system has been attracting much attention with an expectation of realizing exotic phenomena such as quantum anomalous Hall effect (QAHE) or axion insulator states. The magnetic proximity effect (MPE) is one of the promising schemes to induce the magnetic order on the surface of TI without introducing disorder accompanied by doping magnetic impurities in TI. In this study, we investigate the MPE at the interface of a heterostructure consisting of a topological crystalline insulator (TCI) SnTe and Fe by employing polarized neutron reflectometry. The ferromagnetic order penetrates $\sim$ 3 nm deep into the SnTe layer from the interface with Fe, which persists up to room temperature. Our findings demonstrate that the interfacial magnetism is induced by the MPE on the surface of TCI preserving the coherent topological states, which is essential for the bulk-edge correspondence, without introducing disorder arising from a random distribution magnetic impurities. This opens up a way for realizing next generation electronics, spintronics, and quantum computational devices by making use of the characteristics of TCI.

研究动机与目标

• 研究铁磁金属与拓扑晶体绝缘体（TCI）结合的Fe/SnTe异质结界面处的磁性近邻效应（MPE）
• 确定由于MPE在SnTe中诱导的磁性深度及其持久性，特别是其是否能保持拓扑表面态
• 通过异质结结构避免磁性掺杂引入的无序，从而实现对拓扑量子现象至关重要的洁净界面磁性
• 建立一个实现基于量子反常霍尔效应（QAHE）或TCI体系中轴子绝缘体态的无耗散自旋电子学器件的平台

提出的方法

• 在CdTe/GaAs(001)衬底上通过分子束外延（MBE）在优化温度下生长单晶Fe/SnTe异质结，以确保晶格匹配并防止互扩散
• 利用反射高能电子衍射（RHEED）和X射线衍射（XRD）确认异质结的外延生长及结构质量
• 采用横截面透射电子显微镜（TEM）和选区电子衍射（TED）验证Fe与SnTe层之间的外延关系及界面的陡峭性
• 在J-PARC MLF BL17 SHARAKU束线使用脉冲式、高度极化（极化度>98.5%）的中子束进行极化中子反射术（PNR），以探测深度分辨的磁化分布
• 通过最小二乘法拟合（使用Motofit程序）分析数据，结合X射线反射率（XRR）以分离结构与磁性分布
• 施加平行于样品平面的外部磁场（10 kOe）以对齐中子自旋，并测量磁散射长度密度

实验结果

研究问题

• RQ1 铁磁性Fe通过磁性近邻效应在SnTe层中能穿透多深？
• RQ2 SnTe中诱导的磁性是否能维持到室温，表明界面耦合具有强鲁棒性？
• RQ3 能否在不引入磁性掺杂导致的无序情况下建立磁性近邻效应，从而保持SnTe的拓扑特性？
• RQ4 SnTe中的磁化分布是否与无混杂或第二相的洁净、陡峭界面一致？
• RQ5 在TCI SnTe中观察到的MPE穿透深度与传统Z2拓扑绝缘体（如Bi2Se3）相比如何？

主要发现

• 通过极化中子反射术直接测量证实，磁性近邻效应诱导的铁磁序从Fe/SnTe界面穿透约3 nm进入SnTe层
• 诱导磁性在室温下仍能保持，表明界面耦合强烈，具有实现室温拓扑自旋电子学应用的潜力
• Fe与SnTe之间的界面为陡峭界面，无明显混杂或扩散现象，经高分辨TEM与TED分析确认
• 磁化分布可用两个高斯峰的叠加良好描述，表明存在明确的界面磁性层
• SnTe中的近邻效应穿透深度（约3 nm）与传统Z2拓扑绝缘体Bi2Se3中观察到的相当或更优，表明TCI中MPE效应可能更强
• 结果证实SnTe中的拓扑表面态在近邻诱导磁性作用下仍保持相干且未受扰动，从而维持了QAHE和轴子绝缘体态所必需的体-边对应关系