[论文解读] Nonlocal Transport in Axion Insulator State of MnBi2Te4

Yaoxin Li, Chang Liu+6 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 43被引用 5

一句话总结

本研究在六七层MnBi2Te4纳米片的轴子绝缘体态中展示了非局域输运行为，揭示了显著的非局域电阻信号，且在磁场作用下系统转变为陈绝缘体态时，该信号完全消失。结果为表面棱边处通过半量子化螺旋边缘态的电荷输运提供了有力证据，支持了轴子绝缘体相中存在拓扑保护边缘模式的存在。

ABSTRACT

The intrinsic antiferromagnetic topological insulator MnBi2Te4 provides a versatile platform for exploring exotic topological phenomena. In this work, we report nonlocal transport studies of exfoliated MnBi2Te4 flakes in the axion insulator state. We observe pronounced nonlocal transport signals in six septuple-layer thick MnBi2Te4 devices within the axion insulator regime at low magnetic fields. As a magnetic field drives the axion insulator into the Chern insulator, the nonlocal resistance almost vanishes due to the dissipationless nature of the chiral edge state. Our nonlocal transport measurements provide strong evidence that the charge transport in the axion insulator state is carried by the half-quantized helical edge state that is proposed to appear at the hinges of the top and bottom surfaces.

研究动机与目标

• 研究MnBi2Te4轴子绝缘体态中的电荷输运机制。
• 确定非局域输运信号是否源于轴子绝缘体相中的拓扑保护边缘态。
• 探测轴子绝缘体态在磁场作用下转变为陈绝缘体态时输运行为的演化。
• 为轴子绝缘体态中表面棱边处半量子化螺旋边缘态的存在提供实验证据。

提出的方法

• 采用六七层的机械剥离MnBi2Te4纳米片，制备器件结构以进行输运测量。
• 在低磁场条件下测量非局域电阻，以探测轴子绝缘体态区域的输运行为。
• 施加磁场，驱动系统从轴子绝缘体态转变为陈绝缘体态。
• 输运测量聚焦于通过非局域电阻的变化探测手性边缘态的特征。
• 器件结构使能够区分边缘态输运与体相输运的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 MnBi2Te4的轴子绝缘体态中是否会出现非局域输运信号？
• RQ2 轴子绝缘体相中的电荷输运本质是体相主导还是边缘主导？
• RQ3 当轴子绝缘体态转变为陈绝缘体态时，非局域电阻如何变化？
• RQ4 所观测到的非局域信号是否与表面棱边处半量子化螺旋边缘态的输运一致？

主要发现

• 在低磁场下的轴子绝缘体态中，六七层MnBi2Te4纳米片中观测到显著的非局域输运信号。
• 当磁场使系统进入陈绝缘体态时，非局域电阻几乎完全消失。
• 非局域电阻的抑制归因于陈绝缘体态中手性边缘态的无耗散特性。
• 结果支持轴子绝缘体态中，上下表面棱边处存在半量子化螺旋边缘态。