[论文解读] Scaling and nonlocal behavior of the Chern insulator state in magnetic topological insulator MnBi2Te4 device

Zhe Ying, Shuai Zhang+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 26, 2020

Topological Materials and Phenomena被引用 1

一句话总结

本研究调查了MnBi2Te4薄片中陈绝缘体态的尺度行为与非局域输运特性，展示了在奈尔温度（22 K）以下，霍尔电导量子化为0.97 h/e²。通过调节温度和电流，研究揭示了从无耗散手性边缘态到可变范围跳跃的转变，确认在22 K以上时热激活是主导输运机制。

ABSTRACT

We observe the Chern insulator state in MnBi2Te4 flakes, and it can keep quantized up to the N\'eel temperature 22 K, with the quantized Hall plateau over 0.97 h/e2, which allows us to study the scaling law of the Chern insulator state systematically. The temperature and current can drive the chiral edge state from the well-developed dissipationless state to the variable range hopping, revealing the breakdown physics of the Chern insulator. When the temperature is larger than 22 K, the thermal activation would dominate the transport, which is confirmed by both local and nonlocal measurement. This work helps us understand the novel scaling physics of the Chern insulator state in MnBi2Te4, and it may be helpful to application in the new generation electronics.

研究动机与目标

• 系统研究MnBi2Te4中陈绝缘体态的尺度行为。
• 理解在温度和电流变化下手性边缘态的破坏物理机制。
• 区分拓扑态中局部与非局部输运机制的差异。
• 识别22 K奈尔温度以上主导的输运区域。

提出的方法

• 测量机械剥离MnBi2Te4薄片中的量子化霍尔电阻。
• 系统调节温度与电流，以探测边缘态的演化。
• 结合局部与非局部电压测量，以区分输运机制。
• 分析输运数据，识别尺度行为及向可变范围跳跃的转变。
• 将实验结果与拓扑绝缘体态的理论预期进行对比。
• 确认在22 K以上时热激活是主导输运过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 在MnBi2Te4中，陈绝缘体态如何随温度与电流变化而呈现尺度行为？
• RQ2 在陈绝缘体相中，手性边缘态的破坏由何种输运机制主导？
• RQ3 局部与非局部测量在探测边缘态行为方面有何差异？
• RQ4 在22 K奈尔温度以上，热激活在输运中扮演何种角色？
• RQ5 在不同条件下，MnBi2Te4中的量子化霍尔平台在多大程度上得以保持？

主要发现

• MnBi2Te4中的陈绝缘体态表现出0.97 h/e²的量子化霍尔平台，表明其具有高保真度的拓扑输运特性。
• 该量子化态可维持至22 K的奈尔温度，证实了拓扑相的鲁棒性。
• 在22 K以上温度时，热激活主导输运行为，该结论得到局部与非局部测量的双重验证。
• 在温度与电流升高的条件下，手性边缘态从无耗散区域转变为可变范围跳跃。
• 非局部测量揭示了相干边缘输运的破坏，支持了非相干跳跃机制的出现。
• 系统观察到陈绝缘体态的尺度行为，为理解拓扑相的稳定性提供了关键洞见。