[论文解读] Tunable intrinsic ferromagnetic topological phases in bulk van der Waals crystal MnSb6Te10

Xin Zhang, Shihao Zhang+15 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2021

Topological Materials and Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究识别出MnSb6Te10——一种范德华体相晶体——为一种可调谐的本征铁磁拓扑材料，表现出多种拓扑相。通过调节温度、磁场或空穴掺杂，其可在铁磁相、亚铁磁相、Z2反铁磁拓扑绝缘体相、轴子绝缘体相和外尔半金属相之间转换，强烈的本征反常霍尔效应证实了其拓扑本质。

ABSTRACT

Intrinsic ferromagnetism is a crucial ingredient to realize quantum anomalous Hall effect in quasi two dimensional materials, thus the search of intrinsic ferromagnetic topological materials is one of the most concerned issues in the field of topological phases of matter. In this work, combining magnetotransport measurements, first principles calculations, and angle-resolved photoemission spectroscopy studies, we find that in MnSb6Te10, the n = 2 member of the MnSb2Te4/(Sb2Te3)n family, the strong magnetic competition realizes a fragile ferromagnetic ground state, which whereas easily enters into ferrimagnetic and the Z_2 antiferromagnetic topological insulator phase with warming to higher temperature. Interestingly, the system stays in an inversion-symmetry-protected axion insulator phase in the ferromagnetic ground state as well as in the external magnetic field driven spin-polarized FM phase and can be converted into a Weyl semimetal with multiple Weyl nodes in the valence bands with hole doping, which are manifested by the measured notable intrinsic anomalous Hall effect. Our work thus provides an intrinsic magnetic topological material which is highly tunable into versatile topological phases by temperature, magnetic field, as well as carrier doping.

研究动机与目标

• 识别能够实现量子反常霍尔效应的本征铁磁拓扑材料。
• 探讨磁性竞争在稳定范德华材料中脆弱铁磁基态中的作用。
• 展示通过温度、磁场和载流子掺杂等外部参数，可在单一体相晶体中调控拓扑相。
• 确立MnSb6Te10作为实现多种拓扑态（包括轴子绝缘体和外尔半金属相）的平台。

提出的方法

• 通过磁输运测量探测反常霍尔效应与磁相变。
• 通过第一性原理电子结构计算确定能带拓扑与磁性基态。
• 应用角分辨光电子能谱（ARPES）直接观测表面态与能带色散。
• 系统调节温度与外加磁场，以进入不同的磁性与拓扑相。
• 通过化学替代引入空穴掺杂，驱动系统进入外尔半金属相。
• 分析对称性保护与拓扑不变量，以确认铁磁与自旋极化态中的轴子绝缘体行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 本征铁磁性在体相范德华晶体中是否能稳定具有量子反常霍尔效应潜力的拓扑相？
• RQ2 MnSb6Te10中的磁性竞争如何导致对温度与磁场敏感的脆弱铁磁基态？
• RQ3 通过调节温度、磁场或载流子掺杂，可在MnSb6Te10中实现哪些拓扑相？
• RQ4 MnSb6Te10的铁磁态是否受反演对称性保护，并具备实现轴子绝缘体行为的能力？
• RQ5 空穴掺杂是否可在价带中诱导出具有多个外尔节点的外尔半金属相，且该现象可通过输运与光谱测量得到证实？

主要发现

• MnSb6Te10表现出由强磁性竞争稳定的支持的脆弱铁磁基态，该结果得到磁输运测量与第一性原理计算的证实。
• 加热后，该材料转变为亚铁磁相与Z2反铁磁拓扑绝缘体相，表明其磁性构型由热驱动重构。
• 在铁磁基态与磁场诱导的自旋极化FM相中，MnSb6Te10均存在反演对称性保护的轴子绝缘体相。
• 空穴掺杂可使系统进入具有价带中多个外尔节点的外尔半金属相，该结果由显著的本征反常霍尔效应所证实。
• 观测到的反常霍尔信号为本征且稳健，表明存在强自旋-动量锁定与拓扑能带结构。
• 该材料可在单一体相晶体中实现多种拓扑相（铁磁相、轴子绝缘体相、外尔半金属相），凸显其通过外部参数实现高度可调性的潜力。