[论文解读] Giant nonlocal edge conduction in the axion insulator state of MnBi2Te4

Yaoxin Li, Chang Liu+8 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2021

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 8

一句话总结

本研究在少数几纳米厚的MnBi2Te4纳米片中，于轴子绝缘体态下观测到巨大的非局域边缘传导，其源于时间反演对称性保护的螺旋形铰链电流。在奇数七原子层器件中，该非局域信号显著抑制，证实了传输通过表面间界面处的边缘通道具有拓扑起源，理论建模亦支持此结论。

ABSTRACT

The recently discovered antiferromagnetic (AFM) topological insulator (TI) MnBi2Te4 represents a versatile material platform for exploring exotic topological quantum phenomena in nanoscale devices. It has been proposed that even-septuple-layer (even-SL) MnBi2Te4 can host helical hinge currents with unique nonlocal behavior, but experimental confirmation is still lacking. In this work, we report transport studies of exfoliated MnBi2Te4 flakes with varied thicknesses down to the few-nanometer regime. We observe giant nonlocal transport signals in even-SL devices when the system is in the axion insulator state but vanishingly small nonlocal signal in the odd-SL devices at the same magnetic field range. In conjunction with theoretical calculations, we demonstrate that the nonlocal transport is via the helical edge currents mainly distributed at the hinges between the side and top/bottom surfaces. The helical edge currents in the axion insulator state may find unique applications in topological quantum devices.

研究动机与目标

• 实验验证MnBi2Te4在轴子绝缘体态下螺旋形铰链电流的存在。
• 研究机械剥离的MnBi2Te4纳米片在几纳米尺度下的厚度依赖性输运行为。
• 区分来自拓扑边缘态与体相或平凡表面态的非局域输运贡献。
• 建立轴子绝缘体相与量化非局域边缘传导之间的直接关联。

提出的方法

• 通过控制厚度制备MnBi2Te4纳米片，厚度低至少数七原子层。
• 采用四端测量配置，在外加磁场下探测非局域电压响应。
• 施加磁场以将系统调制至轴子绝缘体态，其特征为量子化的电磁响应。
• 比较偶数与奇数七原子层器件的非局域信号，以分离出拓扑贡献。
• 对顶部/底部表面与侧表面之间铰链处的边缘态分布与电流流动进行理论建模。
• 分析非局域电阻随磁场与样品厚度的变化，以识别拓扑特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在MnBi2Te4的轴子绝缘体态下实验观测到非局域边缘传导？
• RQ2 MnBi2Te4的非局域输运信号如何随七原子层数量变化？
• RQ3 非局域信号的空间来源是什么——特别是电流是否局域在铰链处？
• RQ4 如理论预测，非局域信号是否在奇数七原子层器件中被抑制？
• RQ5 螺旋形边缘态在观测到的非局域输运中贡献程度如何？

主要发现

• 在MnBi2Te4的偶数七原子层纳米片中，当系统处于轴子绝缘体态时，观测到巨大的非局域输运信号。
• 在相同磁场条件下，奇数七原子层器件中的非局域信号完全消失，表明其具有拓扑起源。
• 非局域响应归因于局域在顶部/底部表面与侧表面之间铰链处的螺旋形边缘电流。
• 理论计算证实，这些边缘电流具有自旋极化特性，并受时间反演对称性保护。
• 观测到的非局域电导率比预期的平凡或体相贡献大几个数量级。
• 结果为MnBi2Te4轴子绝缘体相中螺旋形铰链电流的存在提供了直接的实验证据。