[论文解读] Nature of the Dirac gap modulation and surface magnetic interaction in axion antiferromagnetic topological insulator MnBi$_2$Te$_4$

A. M. Shikin, D. A. Estyunin+19 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 68被引用 9

一句话总结

本研究揭示了MnBi₂Te₄中两种不同的狄拉克能隙态——62–67 meV 和 15–18 meV——两者在奈尔温度（24.5 K）以上均保持打开，归因于短程手性自旋涨落。自旋分辨ARPES与XMCD显示，在大能隙相中存在表面铁磁有序，而在小能隙相中磁矩减小，这与结构缺陷引起的拓扑表面态位移及第二Mn层中的竞争磁矩有关。

ABSTRACT

Modification of the gap at the Dirac point (DP) in antiferromagnetic (AFM) axion topological insulator MnBi$_2$Te$_4$ and its electronic and spin structure has been studied by angle- and spin-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) under laser excitation with variation of temperature (9-35~K), light polarization and photon energy. We have distinguished both a large (62-67~meV) and a reduced (15-18~meV) gap at the DP in the ARPES dispersions, which remains open above the Néel temperature ($T_\mathrm{N}=24.5$~K). We propose that the gap above $T_\mathrm{N}$ remains open due to short-range magnetic field generated by chiral spin fluctuations. Spin-resolved ARPES, XMCD and circular dichroism ARPES measurements show a surface ferromagnetic ordering for large-gap sample and significantly reduced effective magnetic moment for the reduced-gap sample. These effects can be associated with a shift of the topological DC state towards the second Mn layer due to structural defects and mechanical disturbance, where it is influenced by a compensated effect of opposite magnetic moments.

研究动机与目标

• 探究轴子反铁磁拓扑绝缘体MnBi₂Te₄中多重狄拉克能隙态的起源。
• 确定手性自旋涨落在无长程磁序下仍能维持能隙的作用。
• 通过自旋分辨测量，建立表面磁序与有效磁矩大小同狄拉克能隙尺寸之间的关联。
• 探讨结构缺陷及层特异性磁相互作用对拓扑表面态及其自旋纹理的影响。
• 建立观测到的能隙调制与材料轴子电动力学及拓扑响应之间的联系。

提出的方法

• 在不同光子能量、光偏振态和温度（9–35 K）下，利用激光激发进行角分辨与自旋分辨光电子能谱（ARPES）测量。
• 在东京大学使用s偏振光（7 eV）进行自旋分辨ARPES，以探测自旋纹理与磁矩减小现象。
• 在SPring-8进行X射线磁圆二色性（XMCD）与X射线吸收谱（XAS）测量，以测定元素特异性磁矩。
• 采用共振光电子能谱增强Mn 3d核心能级附近的谱峰特征，提高对电子关联效应的敏感度。
• 采用DFT结合GGA+U与DFT-D3校正进行从头算电子结构计算，包含自旋-轨道耦合与标量相对论效应。
• 利用第一性原理建模分析Mn层堆叠方式与结构缺陷对表面态色散关系及磁耦合的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 MnBi₂Te₄中为何共存两种不同的狄拉克能隙态（62–67 meV 与 15–18 meV），且两者在奈尔温度以上均保持打开？
• RQ2 尽管缺乏长程磁序，手性自旋涨落如何贡献于在TN以上维持磁能隙？
• RQ3 为何小能隙相中的有效磁矩显著低于大能隙相？
• RQ4 由于结构缺陷与竞争磁矩，拓扑表面态相对于Mn层的位置如何发生位移？
• RQ5 表面磁序在多大程度上与观测到的狄拉克能隙尺寸及自旋纹理相关？

主要发现

• ARPES谱中观测到两种不同的狄拉克能隙——62–67 meV 与 15–18 meV——两者在奈尔温度（24.5 K）以上均保持打开。
• 在TN以上持续存在的能隙归因于短程手性自旋涨落产生的有效磁场，而非长程反铁磁序。
• 自旋分辨ARPES揭示大能隙样品中存在明显的表面铁磁有序，且有效磁矩显著。
• 小能隙样品表现出明显减小的有效磁矩，表明表面磁性减弱。
• 由于结构缺陷与机械应变，拓扑表面态向第二Mn层偏移，导致相反磁矩相互抵消，净磁响应降低。
• XMCD与圆二色性ARPES证实了能隙大小、表面磁矩与拓扑态空间局域化之间的关联。