[论文解读] Visualization of superparamagnetic dynamics in magnetic topological insulators

Ella Lachman, Andrea F. Young+11 more|eScholarship (California Digital Library)|Jun 16, 2015

Magnetic properties of thin films被引用 6

一句话总结

本研究利用扫描纳米SQUID显微镜可视化了铬掺杂（Bi,Sb）2Te3薄膜中超顺磁动力学，发现量子反常霍尔平台转变是由弱相互作用磁畴（~30–50 nm）的随机翻转所驱动。出乎意料的是，栅压偏移显著增强了磁弛豫，表明电子动力学与磁序之间存在相互耦合，挑战了拓扑相变中的普遍标度律。

ABSTRACT

Quantized Hall conductance is a generic feature of two dimensional electronic systems with broken time reversal symmetry. In the quantum anomalous Hall state recently discovered in magnetic topological insulators, time reversal symmetry is believed to be broken by long-range ferromagnetic order, with quantized resistance observed even at zero external magnetic field. Here, we use scanning nanoSQUID magnetic imaging to provide a direct visualization of the dynamics of the quantum phase transition between the two anomalous Hall plateaus in a Cr-doped (Bi,Sb)$_2$Te$_3$ thin film. Contrary to naive expectations based upon macroscopic magnetometry, our measurements reveal a superparamagnetic state formed by weakly interacting magnetic domains with a characteristic size of few tens of nanometers. The magnetic phase transition occurs through random reversals of these local moments, which drive the electronic Hall plateau transition. Surprisingly, we find that the electronic system can in turn drive the dynamics of the magnetic system, revealing a subtle interplay between the two coupled quantum phase transitions.

研究动机与目标

• 直接可视化磁性拓扑绝缘体中量子反常霍尔（QAH）平台转变背后的磁性动力学。
• 分离电子相变与磁性相变的作用，这些相变通常仅通过体材料中的输运测量来探测。
• 研究通过栅压对电子调控如何影响具有时间反演对称性破缺系统的磁弛豫与亚稳态畴动力学。
• 检验QAH平台转变是否因动态磁 disorder 而偏离普遍标度律。

提出的方法

• 采用200 nm空间分辨率的针尖上SQUID（SOT）显微镜，在3 He温区测绘局域磁场（Bz）。
• 在磁场和栅压扫描过程中，同步进行电子输运测量（Rxx, Rxy）与磁成像。
• 施加小幅度的背栅电压偏移（ΔVg ~1–30 V）以探测磁弛豫动力学的响应。
• 利用输运系数（Rxx, Rxy）随栅压与磁场变化的参数图，揭示普遍关系与弛豫路径。
• 对磁矩翻转事件进行统计分析，以量化在不同栅压与磁场条件下磁弛豫动力学的特征。
• 对比磁成像与输运数据，识别电子与磁性子系统之间的耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁畴动力学如何调控铬掺杂（Bi,Sb）2Te3薄膜中量子反常霍尔平台转变？
• RQ2 栅压调控在多大程度上影响超顺磁磁畴的弛豫？
• RQ3 为何尽管平均磁化强度稳定且内禀矫顽力为130 mT，系统仍表现出强烈的磁弛豫？
• RQ4 所观测到的输运磁滞是否可由磁性动力学而非本征电子相变解释？
• RQ5 电子与磁性子系统之间的相互作用如何影响QAH平台转变的普遍性？

主要发现

• 磁性相变通过弱相互作用的超顺磁岛随机翻转发生，特征尺寸为30–50 nm，而非通过相干畴壁运动。
• 即使在完全磁饱和状态（1 T）下，亚微米尺度的磁不均匀性依然存在，表明铬掺杂存在非均匀分布。
• 仅±1 V的栅压偏移即显著增强磁弛豫，表明电子自由度与磁自由度之间存在强烈的相互耦合。
• 输运系数在参数图中沿恒定-Vg弧线弛豫，表明磁弛豫主导于时间演化，与SQUID成像结果一致。
• 在大范围栅压扫描（±30 V）下，矫顽力几乎保持不变（~130 mT），表明平均磁化强度稳定，尽管存在强烈的弛豫效应。
• 在重复栅压扫描过程中，系统表现出不可逆磁化变化，尤其在Hc = 130 mT附近，表明存在能垒较低的亚稳态超顺磁态。