[论文解读] Reentrant quantum anomalous Hall effect in molecular beam epitaxy-grown MnBi2Te4 thin films

Yuanzhao Li, Yunhe Bai+17 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2024

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究报道了在分子束外延生长的MnBi2Te4薄膜中观察到一种反常的量子反常霍尔（QAH）效应，该效应在零磁场下出现，当费米能级位于价带时，表明形成了陈-安德森绝缘体。该结果突显了贝里曲率与安德森局域化在实现无需外磁场的稳健QAH态中的相互作用。

ABSTRACT

In this study, we investigate intrinsic magnetic topological insulator MnBi2Te4 thin films grown by molecular beam epitaxy. We observe a reentrant quantum anomalous Hall effect when the Fermi energy enters the valance band and magnetic field equals zero, indicating the emergence of the Chern Anderson insulator state. The discovery opens a new avenue for realizing the QAH effect and underscores the fundamental role of both Berry curvature and Anderson localization.

研究动机与目标

• 研究分子束外延生长的MnBi2Te4薄膜中本征磁性拓扑绝缘体的行为。
• 探索在无外磁场条件下量子反常霍尔效应的出现机制。
• 理解贝里曲率与安德森局域化在稳定拓扑相中的作用。
• 确定在本征磁性拓扑绝缘体中实现反常QAH效应的条件。

提出的方法

• 采用分子束外延（MBE）技术生长高质量、单晶态的MnBi2Te4薄膜，厚度与掺杂浓度可控。
• 在低温下进行输运测量，以探测量子化的霍尔电阻和纵向电阻率。
• 通过背栅调控费米能级，以进入价带的不同区域。
• 测量霍尔电阻和纵向电阻率随磁场的变化，以识别拓扑相变。
• 理论分析将观测到的QAH态与非平凡的贝里曲率和由无序引起的安德森局域化之间的相互作用联系起来。
• 从QAH效应在零磁场下的反常行为推断出陈-安德森绝缘体态的形成。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在无外磁场条件下于MnBi2Te4薄膜中实现量子反常霍尔效应？
• RQ2 费米能级在价带中的位置在稳定QAH态中起什么作用？
• RQ3 安德森局域化如何促进MnBi2Te4中拓扑绝缘体相的形成？
• RQ4 在反常QAH效应中观测到的拓扑相变的本质是什么？
• RQ5 所观测到的QAH态是否与陈-安德森绝缘体态一致？

主要发现

• 当费米能级被调控至价带时，在零磁场下观察到反常的量子反常霍尔效应。
• 量子化的霍尔电阻达到预期值h/e²，证实了该态的拓扑性质。
• 纵向电阻率降至接近零，表明存在无耗散的边缘输运。
• QAH态仅在费米能级靠近价带边的狭窄范围内存在，表明其具有反常性。
• 该观测态归因于陈-安德森绝缘体的形成，其中贝里曲率与无序局域化共存。
• 结果表明，本征磁性拓扑绝缘体可在无外磁场条件下实现稳健的QAH态。