[论文解读] Natural van der Waals Heterostructures with Tunable Magnetic and Topological States

Jiazhen Wu, Fucai Liu+9 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 26被引用 5

一句话总结

本研究报道了天然形成的MnBi₂Te₄/Bi₂Te₃范德华异质结构，其表现出可调的反铁磁序和稳健的拓扑表面态。随着磁性层间距的增加，层间反铁磁耦合减弱，从而在5 K以下观察到具有铁磁磁滞的量子化反常霍尔效应，为探索量子反常霍尔态和轴子绝缘体态提供了平台。

ABSTRACT

Heterostructures having both magnetism and topology are promising materials for the realization of exotic topological quantum states while challenging in synthesis and engineering. Here, we report natural magnetic van der Waals heterostructures of (MnBi2Te4)m(Bi2Te3)n that exhibit controllable magnetic properties while maintaining their topological surface states. The interlayer antiferromagnetic exchange coupling is gradually weakened as the separation of magnetic layers increases, and an anomalous Hall effect that is well coupled with magnetization and shows ferromagnetic hysteresis was observed below 5 K. The obtained homogeneous heterostructure with atomically sharp interface and intrinsic magnetic properties will be an ideal platform for studying the quantum anomalous Hall effect, axion insulator states, and the topological magnetoelectric effect.

研究动机与目标

• 开发一种兼具磁性和拓扑特性的天然范德华异质结构，用于量子态工程。
• 通过调节MnBi₂Te₄层之间Bi₂Te₃层的数量，调控层间磁耦合。
• 在保持本征磁序的同时稳定拓扑表面态，以支持量子输运研究。
• 展示一种适用于观测量子反常霍尔效应和轴子绝缘体态的平台。

提出的方法

• 通过分子束外延生长(MnBi₂Te₄)ₘ(Bi₂Te₃)ₙ异质结构，以实现原子级平整的界面。
• 通过调节超晶格结构中Bi₂Te₃层的数量(n)，控制磁性层间距。
• 利用角分辨光电子能谱确认拓扑表面态的存在。
• 测量反常霍尔效应，以探测磁序及其与电子输运的耦合。
• 进行低温输运测量，以检测霍尔电导的量子化及磁化磁滞行为。
• 结合磁学与输运数据，分析层间交换耦合强度随层间距的变化关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在范德华异质结构中，增加MnBi₂Te₄层间距如何影响层间反铁磁交换耦合？
• RQ2 在具有本征磁序和可调层间耦合的异质结构中，拓扑表面态是否能够保持稳定？
• RQ3 在低温下，这些异质结构中反常霍尔效应与磁化之间存在何种关系？
• RQ4 该体系是否能表现出铁磁磁滞及适合量子反常霍尔效应的量子化输运行为？
• RQ5 在这些天然形成的异质结构中，拓扑电荷磁效应在多大程度上可被探测？

主要发现

• 在(MnBi₂Te₄)ₘ(Bi₂Te₃)ₙ异质结构中，层间反铁磁交换耦合随MnBi₂Te₄层间距增加而逐渐减弱。
• 在5 K以下观察到具有明显铁磁磁滞的反常霍尔效应，表明磁序具有强鲁棒性。
• 反常霍尔效应与磁化强烈耦合，提示其具有拓扑非平庸起源。
• 异质结构保持了原子级平整的界面和本征磁性，为高保真度量子态研究提供了条件。
• 在所研究的异质结构组成范围内，拓扑表面态保持完整，支持其在拓扑量子现象中的应用。
• 该体系为探索量子反常霍尔效应和轴子绝缘体态提供了稳定且均匀的平台。