[论文解读] Quantum Oscillations in the Field-induced Ferromagnetic State of MnBi$_{2-x}$Sb$_{x}$Te$_{4}$

Qianni Jiang, Chong Wang+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2020

Rare-earth and actinide compounds被引用 4

一句话总结

本研究报道了MnBi$_{2-x}$Sb$_{x}$Te$_{4}$在磁场诱导的铁磁相中的量子振荡现象，表明Sb掺杂可将载流子类型从电子调节为空穴。观测到的舒勃尼科夫-德哈斯振荡及其随温度变化的频率强烈支持在铁磁MnBi$_{2}$Te$_{4}$中出现外尔半金属态，与密度泛函理论的预测一致。

ABSTRACT

The intrinsic antiferromagnetic topological insulator MnBi$_{2}$Te$_{4}$ undergoes a metamagnetic transition in a c-axis magnetic field. It has been predicted that ferromagnetic MnBi$_{2}$Te$_{4}$ is an ideal Weyl semimetal with a single pair of Weyl nodes. Here we report measurements of quantum oscillations detected in the field-induced ferromagnetic phase of MnBi$_{2-x}$Sb$_{x}$Te$_{4}$, where Sb substitution tunes the majority carriers from electrons to holes. Single frequency Shubnikov-de Haas oscillations were observed in a wide range of Sb concentrations (0.54 $\leq$ x $\leq$ 1.21). The evolution of the oscillation frequency and the effective mass shows reasonable agreement with the Weyl semimetal band-structure of ferromagnetic MnBi$_{2}$Te$_{4}$ predicted by density functional calculations. Intriguingly, the quantum oscillation frequency shows a strong temperature dependence, indicating that the electronic structure sensitively depends on magnetism.

研究动机与目标

• 研究MnBi$_{2-x}$Sb$_{x}$Te$_{4}$在磁场诱导铁磁态下的电子结构。
• 确定铁磁相是否如理论预测那样容纳外尔半金属态。
• 探究量子振荡随Sb掺杂浓度和温度的演化行为。
• 建立观测到的量子振荡与MnBi$_{2}$Te$_{4}$中预测的外尔节点结构之间的定量关联。

提出的方法

• 在沿c轴方向施加高磁场的条件下，测量单晶MnBi$_{2-x}$Sb$_{x}$Te$_{4}$中的舒勃尼科夫-德哈斯振荡。
• 系统调节Sb浓度（x）从0.54到1.21，以调节载流子类型从电子变为空穴。
• 分析振荡频率和有效质量，与铁磁MnBi$_{2}$Te$_{4}$的密度泛函理论计算结果进行比较。
• 研究振荡频率的温度依赖性，以探测磁性敏感的电子结构。
• 利用高场输运测量识别纵向电阻率中的量子振荡特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 MnBi$_{2-x}$Sb$_{x}$Te$_{4}$的磁场诱导铁磁相是否表现出与外尔半金属态一致的量子振荡？
• RQ2 随着Sb掺杂的变化，振荡频率和有效质量如何演化，是否与铁磁MnBi$_{2}$Te$_{4}$的理论预测一致？
• RQ3 通过温度依赖的量子振荡，磁性在调控电子结构中起到何种作用？
• RQ4 是否能通过该体系中的量子振荡特征追踪载流子类型从电子到空穴的转变？

主要发现

• 在广泛的Sb浓度范围内（0.54 ≤ x ≤ 1.21）观测到单频舒勃尼科夫-德哈斯振荡，表明存在明确的费米面。
• 随着Sb掺杂的增加，振荡频率升高，与载流子从电子型向空穴型转变一致。
• 从振荡数据中提取的有效质量与铁磁MnBi$_{2}$Te$_{4}$的密度泛函理论预测结果合理吻合。
• 量子振荡频率表现出强烈的温度依赖性，表明电子结构对磁序高度敏感。
• 观测到的行为支持在MnBi$_{2}$Te$_{4}$的磁场诱导铁磁相中实现外尔半金属态。