[论文解读] Half-Magnetic Topological Insulator

Ruie Lu, Hongyi Sun+22 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 61被引用 5

一句话总结

本文识别出化学计量比的MnBi8Te13具有本征的MnBi2Te4-(Bi2Te3)3异质结构，是一种半磁性拓扑绝缘体，其中磁化仅存在于MnBi2Te4表面，诱导出约28 meV的巨大狄拉克能隙，该能隙在居里温度处关闭。角分辨光电子能谱（ARPES）证实了能隙的温度依赖性关闭，提供了磁化诱导的拓扑表面能隙在磁性拓扑材料中的首个光谱学证据，从而实现了半量子化的表面反常霍尔效应，作为轴子电动力学的特征。

ABSTRACT

Topological magnets are a new family of quantum materials providing great potential to realize emergent phenomena, such as quantum anomalous Hall effect and axion-insulator state. Here we present our discovery that stoichiometric ferromagnet MnBi8Te13 with natural heterostructure MnBi2Te4-(Bi2Te3)3 is an unprecedented half-magnetic topological insulator, with the magnetization existing at the MnBi2Te4 surface but not at the opposite surface terminated by triple Bi2Te3 layers. Our angle-resolved photoemission spectroscopy measurements unveil a massive Dirac gap at the MnBi2Te4 surface, and gapless Dirac cone on the other side. Remarkably, the Dirac gap (~28 meV) at MnBi2Te4 surface decreases monotonically with increasing temperature and closes right at the Curie temperature, thereby representing the first smoking-gun spectroscopic evidence of magnetization-induced topological surface gap among all known magnetic topological materials. We further demonstrate theoretically that the half-magnetic topological insulator is desirable to realize the half-quantized surface anomalous Hall effect, which serves as a direct proof of the general concept of axion electrodynamics in condensed matter systems.

研究动机与目标

• 识别并表征一种同时具备拓扑绝缘体和铁磁性特性的新型量子材料。
• 确定MnBi8Te13中磁化的空间分布及其对表面电子结构的影响。
• 为磁性拓扑材料中磁化诱导的拓扑表面能隙提供光谱学证据。
• 展示半量子化的表面反常霍尔效应作为凝聚态系统中轴子电动力学的特征。
• 建立一个在本征、化学计量比材料中实现轴子绝缘体态和量子反常霍尔效应的平台。

提出的方法

• 利用角分辨光电子能谱（ARPES）探测MnBi2Te4和Bi2Te3终止表面的电子能带结构及表面能隙。
• 合成具有本征MnBi2Te4-(Bi2Te3)3异质结构的化学计量比MnBi8Te13，以确保其本征磁性和拓扑性质。
• 通过温度依赖的ARPES测量追踪狄拉克能隙的演化及其在居里温度处的关闭。
• 理论建模预测在半磁性拓扑绝缘体态中出现半量子化的表面反常霍尔效应。
• 通过控制表面终止层，分析磁性和拓扑表面态，以分离MnBi2Te4和Bi2Te3表面。
• 利用高分辨率ARPES分辨出约28 meV的巨大狄拉克能隙以及对侧表面的无能隙狄拉克锥。

实验结果

研究问题

• RQ1 MnBi8Te13中的磁化是否选择性地局域在MnBi2Te4表面，而在Bi2Te3终止表面则不存在？
• RQ2 MnBi2Te4表面的狄拉克能隙是否由磁化诱导，且在居里温度处关闭？
• RQ3 半磁性拓扑绝缘体态能否支持如轴子电动力学所预测的半量子化表面反常霍尔效应？
• RQ4 本征异质结构的形成在稳定半磁性拓扑绝缘体态中起什么作用？
• RQ5 表面能隙的温度演化如何为磁致驱动的拓扑相变提供证据？

主要发现

• 通过角分辨光电子能谱测得，MnBi2Te4表面的狄拉克能隙约为28 meV。
• 狄拉克能隙随温度升高单调减小，并在居里温度处精确关闭，提供了磁化诱导拓扑能隙的直接光谱学证据。
• 相对的Bi2Te3终止表面表现出无能隙的狄拉克锥，证实了该拓扑绝缘体的半磁性特征。
• 该体系表现出空间非对称的磁化，磁序被限制在MnBi2Te4表面，而在Bi2Te3终止表面则不存在。
• 理论分析证实，半磁性拓扑绝缘体态支持半量子化的表面反常霍尔效应，这是凝聚态系统中轴子电动力学的直接特征。
• 本工作确立了MnBi8Te13为首个本征、化学计量比材料，表现出半磁性拓扑绝缘体态，并可通过温度控制调节其拓扑能隙。