[论文解读] Variety of magnetic topological phases in the (MnBi$_2$Te$_4$)(Bi$_2$Te$_3$)$_m$ family

И. И. Климовских, M. M. Otrokov+24 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 69被引用 38

一句话总结

本文展示了一系列可调的固有磁性拓扑绝缘体（MnBi2Te4)(Bi2Te3)m），显示出从反铁磁耦合到铁磁耦合的转变，并且当 m≥3 时，出现二维无序磁性态同时保持拓扑表面态。

ABSTRACT

Quantum states of matter combining non-trivial topology and magnetism attract a lot of attention nowadays; the special focus is on magnetic topological insulators (MTIs) featuring quantum anomalous Hall and axion insulator phases. Feasibility of many novel phenomena that \emph{intrinsic} magnetic TIs may host depends crucially on our ability to engineer and efficiently tune their electronic and magnetic structures. Here, using angle- and spin-resolved photoemission spectroscopy along with \emph{ab initio} calculations we report on a large family of intrinsic magnetic TIs in the homologous series of the van der Waals compounds (MnBi$_2$Te$_4$)(Bi$_2$Te$_3$)$_m$ with $m=0, ..., 6$. Magnetic, electronic and, consequently, topological properties of these materials depend strongly on the $m$ value and are thus highly tunable. The antiferromagnetic (AFM) coupling between the neighboring Mn layers strongly weakens on moving from MnBi2Te4 (m=0) to MnBi4Te7 (m=1), changes to ferromagnetic (FM) one in MnBi6Te10 (m=2) and disappears with further increase in m. In this way, the AFM and FM TI states are respectively realized in the $m=0,1$ and $m=2$ cases, while for $m \ge 3$ a novel and hitherto-unknown topologically-nontrivial phase arises, in which below the corresponding critical temperature the magnetizations of the non-interacting 2D ferromagnets, formed by the \MBT\, building blocks, are disordered along the third direction. The variety of intrinsic magnetic TI phases in (MnBi$_2$Te$_4$)(Bi$_2$Te$_3$)$_m$ allows efficient engineering of functional van der Waals heterostructures for topological quantum computation, as well as antiferromagnetic and 2D spintronics.

研究动机与目标

• 寻找具有可调层间耦合的固有磁性拓扑绝缘体的研究动机与目标.
• 研究通过改变非磁性分隔层 m 如何调控磁序和拓扑性质.
• 表征 MnBi2Te4(Bi2Te3)m 系列在表面态与狄拉克锥行为上的变化.
• 展示在 vdW 异质结构中对拓扑量子计算和二维自旋电子学的潜在应用。

提出的方法

• 将角分辨及自旋分辨光电子能谱（ARPES 与自旋-ARPES）与从头计算的 DFT 相结合，以绘制电子和磁性结构地图。
• 通过磁力计（SQUID）和电阻随温度与磁场的变化分析磁序。
• 使用含自旋轨道耦合和范德华修正（DFT-D2/DFT-D3）的 GGA+U 对 Mn 3d 状态进行 DFT 计算。
• 对 FM 与 AFM 构型计算总能，以提取层间交换趋势和磁各向异性能。
• 对不同终末（SL 与 QL）的表面电子结构建模，并与 ARPES 比较以识别表面态。

实验结果

研究问题

• RQ1 随着 MnBi2Te4 层之间的分隔层 m 增大，层间交换耦合如何改变（从 AFM 到 FM 再到消失）？
• RQ2 作为函数的 m，会出现哪些拓扑相（AFM TI、FM TI、二维无序磁 MTI）？
• RQ3 表面终止如何影响这些材料中的狄拉克表面态及其能隙？
• RQ4 AR P ES 与 DFT 能否共同揭示 MnBi2Te4(Bi2Te3)m 系列中拓扑表面态的存在与行为？
• RQ5 这些可调相对 QAH、压轴子体绝缘体以及二维自旋电子学应用有何影响？

主要发现

• m=0 与 m=1（MnBi2Te4 与 MnBi4Te7）实现了反铁磁拓扑绝缘体（AFM TI）态。
• m=2（MnBi6Te10）成为铁磁拓扑绝缘体（FM TI）。
• 对于 m≥3，层间交换几乎消失，形成以二维铁磁有序块结构为特征的低于 Tc 的 [0001] 方向磁化无序态。
• ARPES 显示拓扑表面态，其狄拉克锥依表面终止而异，在 MnBi6Te10 的铁磁态中（SL 终止）呈现狄拉克点隙（DP1 ~0.22 eV 在 60 K，1 K 时约 50 meV 的隙），对 SL 终止。
• 在 MnBi4Te7 中，表面自旋破缺的两种表面上 TSS 都有能隙（SL 终止约 ~70 meV 的隙；QL 终止则出现复杂的避免交叉）。
• DFT 证实 AFM MnBi4Te7 的体带隙约为 ~0.18 eV，并预测 Z2=1 的 AFM TI 状态（S = ΘT1/2），与实验性 TSS 行为一致。
• 该系列提供可调的层间耦合与表面态拓扑，为固有 QAH、轴子绝缘体以及麦克萨拉诺相关现象，以及二维自旋电子学应用提供平台。