[论文解读] The Nature of Magnetic Ordering in Magnetically Doped Topological Insulator Bi$_{2-x}$Fe$_x$Se$_3$

Z. Salman, E. Pomjakushina+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2012

Topological Materials and Phenomena被引用 6

一句话总结

本研究调查了铁掺杂的Bi₂Se₃作为三维拓扑绝缘体的特性，结果表明，即使仅掺杂5%的铁，也能通过铁-铁相互作用在约250 K以下诱导体相磁有序。利用穆子自旋弛豫和磁化率测量，识别出两种不同的磁性区域：高温（10–250 K）区域为由RKKY型相互作用驱动的类铁磁有序，低温（<10 K）区域则为单离子主导的磁性，其磁矩方向垂直于c轴，且与掺杂浓度无关。

ABSTRACT

We present a detailed investigation of the magnetic and structural properties of magnetically doped 3D topological insulator Bi2Se3. From muon spin relaxation measurements in zero magnetic field, we find that even 5% Fe doping on the Bi site turns the full volume of the sample magnetic at temperatures as high as ~250 K. This is also confirmed by magnetization measurements. Two magnetic "phases" are identified; the first is observed between ~10-250 K while the second appears below ~10 K. These cannot be attributed to impurity phases in the samples. We discuss the nature and details of the observed magnetism and its dependence on doping level.

研究动机与目标

• 调查不同掺杂浓度下铁掺杂Bi₂Se₃（一种三维拓扑绝缘体）中磁有序的本质。
• 确定观测到的磁性是否源于本征铁掺杂，而非杂质相。
• 区分体相磁相互作用与表面相关效应，特别是时间反演对称性破缺的问题。
• 探讨导带电子通过类似RKKY机制介导铁-铁磁相互作用的作用。
• 为未来利用深度分辨穆子自旋谱学进行表面敏感研究奠定基础。

提出的方法

• 零场穆子自旋弛豫（ZF-μSR）用于探测无外加磁场条件下的局部磁场和磁动力学。
• 利用物理性质测量系统（PPMS）进行体磁化率测量，以评估宏观磁响应。
• 采用布里奇曼法生长单晶，铁掺杂浓度为x = 0, 0.1, 0.2, 和 0.3的Bi₂₋ₓFeₓSe₃。
• 通过粉末X射线衍射（XRD）进行结构表征并验证相纯度。
• 基于随机取代在三角晶格上的铁离子，假设穆子距离为4.76 Å，对偶极场分布进行建模。
• 分析温度依赖的弛豫率和磁场分布，以推断磁相变和磁矩动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 铁掺杂Bi₂Se₃中体相磁有序的起源是什么？是本征效应还是杂质相所致？
• RQ2 铁掺杂Bi₂Se₃的磁行为如何随掺杂浓度和温度变化？
• RQ3 在10–250 K与低于10 K之间观察到的两种不同磁性区域的本质是什么？
• RQ4 观测到的磁相互作用是否由导带电子介导？如果是，主导的相互作用类型（如RKKY）是什么？
• RQ5 磁矩取向和局部磁场环境如何随温度和掺杂浓度变化？

主要发现

• 即使5%的铁掺杂也能在高达约250 K的温度下诱导Bi₂Se₃的全体积磁有序，该结果经ZF-μSR和磁化率测量双重验证。
• 识别出两种磁性区域：高温区（10–250 K）主要由铁-铁相互作用主导，低温区（<10 K）则由单个铁离子特性及晶体场效应主导。
• 平均铁磁矩几乎与掺杂浓度无关，且方向垂直于c轴，磁化率数据中显示出强烈的各向异性。
• 在较高铁掺杂浓度下，随着温度降低，穆子位置处的局部磁场增加得更为迅速，表明铁-铁耦合在高浓度下更强。
• 低温磁响应对掺杂浓度不敏感，表明单离子效应占主导；而高温行为则依赖于铁-铁间距，因此与掺杂浓度相关。
• 未掺杂样品无弛豫现象，且各掺杂浓度下磁场分布一致，排除了磁性杂质作为观测磁性的来源。