[论文解读] Intertwined Topological and Magnetic Orders in Atomically Thin Chern Insulator MnBi2Te4

Dmitry Ovchinnikov, Xiong Huang+16 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2020

Rare-earth and actinide compounds被引用 12

一句话总结

本研究揭示了在磁致倾斜磁序驱动下，原子层厚MnBi2Te4中存在一种连续可调的拓扑相变，表现为能带交叉与带隙重开，且与拓扑不变量的变化相吻合。令人惊讶的是，无论是偶数层还是奇数层，均表现出相似的拓扑相变，挑战了此前关于该陈绝缘体中层依赖行为的理论与实验假设。

ABSTRACT

The interplay between band topology and magnetic order plays a key role in quantum states of matter. MnBi2Te4, a van der Waals magnet, has recently emerged as an exciting platform for exploring Chern insulator physics. Its layered antiferromagnetic order was predicted to enable even-odd layer-number dependent topological states, supported by promising edge transport measurements. Furthermore, it becomes a Chern insulator when all spins are aligned by an applied magnetic field. However, the evolution of the bulk electronic structure as the magnetic state is continuously tuned and its dependence on layer number remains unexplored. Here, employing multimodal probes, we establish one-to-one correspondence between bulk electronic structure, magnetic state, topological order, and layer thickness in atomically thin MnBi2Te4 devices. As the magnetic state is tuned through the canted magnetic phase, we observe a band crossing, i.e., the closing and reopening of the bulk bandgap, corresponding to the concurrent topological phase transition. Surprisingly, we find that the even- and odd-layer number devices exhibit a similar topological phase transition coupled to magnetic states, distinct from recent theoretical and experimental reports. Our findings shed new light on the interplay between band topology and magnetic order in this newly discovered topological magnet and validate the band crossing with concurrent measurements of topological invariant in a continuously tuned topological phase transition.

研究动机与目标

• 理解原子层厚MnBi2Te4中能带拓扑与磁序之间的相互作用。
• 研究少层MnBi2Te4中体电子结构如何随磁态的连续调控而演化。
• 解决理论预测与先前实验报告在层依赖性拓扑行为上的矛盾。
• 利用多模态探测手段，建立磁态、拓扑序与层厚之间的直接关联。
• 通过拓扑不变量的同步测量，验证能带交叉与拓扑相变的存在。

提出的方法

• 采用多模态实验探测手段，包括输运测量、磁光谱学及磁场调控，以获取电子与磁性特性。
• 制备了具有可控层数（偶数与奇数）的机械剥离原子层厚MnBi2Te4器件，以探测厚度依赖行为。
• 施加外部磁场，连续调控磁态从反铁磁相到倾斜磁序，最终达到完全极化，使所有自旋对齐。
• 通过输运与光学测量监测体带隙的变化，以检测带隙关闭与重开。
• 利用观测到的能带交叉与对称性变化推断拓扑相变，并通过拓扑不变量的同步测量予以确认。
• 将磁态演化与不同层厚下的拓扑序相关联，以识别普遍行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 当外部磁场连续调控时，原子层厚MnBi2Te4的体电子结构如何演化？
• RQ2 磁序（尤其是倾斜相）与MnBi2Te4中拓扑相变之间存在何种关系？
• RQ3 根据某些理论预测，MnBi2Te4的偶数层与奇数层是否表现出不同的拓扑相变行为？
• RQ4 在连续磁性调控过程中，能否实验观测到能带交叉及伴随的拓扑不变量变化？
• RQ5 层厚如何影响MnBi2Te4中拓扑与磁性的相互作用？

主要发现

• 在倾斜磁序相中，清晰观测到能带交叉——表现为体带隙的关闭与重开——标志着连续的拓扑相变。
• 通过拓扑不变量的同步测量，证实了该拓扑相变，验证其为本征现象而非人为伪影。
• 无论偶数层还是奇数层MnBi2Te4器件，在磁场调控下均表现出相似的拓扑相变，与早期理论与实验报告中关于层依赖差异的结论相矛盾。
• 体电子结构的演化与磁态直接相关，建立了磁性、拓扑与层厚之间的一一对应关系。
• 倾斜磁序作为关键中间态，使拓扑相变成为可能，其出现与带隙消失及对称性变化密切相关。
• 结果表明，MnBi2Te4在不同层数下均支持一种稳定且可调的拓扑态，凸显其在拓扑量子器件中的应用潜力。