Systematics of electronic and magnetic properties in the transition metal doped Sb$_2$Te$_3$ quantum anomalous Hall platform
M F. Islam, C. M. Canali, A. Pertsova, A. Balatsky, S. K. Mahatha, C. Carbone, A. Barla, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenk, E. Jiménez, N. B. Brookes, P. Gargiani, … 展开作者
M F. Islam, C. M. Canali, A. Pertsova, A. Balatsky, S. K. Mahatha, C. Carbone, A. Barla, K. A. Kokh, O. E. Tereshchenk, E. Jiménez, N. B. Brookes, P. Gargiani, M. Valvidares, S. Schatz, T. R. F. Peixoto, H. Bentmann, F. Reinert, J. Jung, T. Bathon, K. Fauth, M. Bode, P. Sessi
磁掺杂拓扑绝缘体中出现了量子反常霍尔效应。虽然它的一般现象学已经很好地建立起来，但微观起源远未得到正确的理解和控制。在这里，我们报告的过渡金属（TM）掺杂的Sb $_2$ Te $_3$的详细和系统的调查。通过将密度泛函理论（DFT）计算与补充实验技术相结合，即，扫描隧道显微镜（STM），共振光电子能谱（resPES）和X射线磁性圆二色性（XMCD），我们提供了一个完整的光谱表征的电子和磁性。我们的研究结果表明，TM掺杂剂不仅影响主体材料的磁性状态，而且还通过产生杂质衍生的能带来显著改变电子结构。我们的研究结果表明，存在一个微妙的电子和磁性之间的相互作用，在TM掺杂的TI。特别是，我们发现，拓扑表面状态的命运严重依赖于特定的字符的TM杂质：而V-和Fe掺杂的Sb $_2$ Te $_3$显示共振杂质状态的狄拉克点附近，铬和锰杂质离开的能隙不受影响。单离子磁各向异性能量和易磁化轴，控制磁隙开口和它的稳定性，也被发现是强烈TM杂质依赖性，可以从平面内到平面外的杂质和它的距离从表面而定。总体而言，我们的研究结果提供了一个强大的QAHE在TM掺杂的Sb $_2$ Te $_3$在铁磁状态下的实现的一般指导方针。
英文摘要：
The quantum anomalous Hall effect (QAHE) has recently been reported to emerge in magnetically-doped topological insulators. Although its general phenomenology is well established, the microscopic origin is far from being properly understood and controlled. Here we report on a detailed and systematic investigation of transition-metal (TM)-doped Sb$_2$Te$_3$. By combining density functional theory (DFT) calculations with complementary experimental techniques, i.e., scanning tunneling microscopy (STM), resonant photoemission (resPES), and x-ray magnetic circular dichroism (XMCD), we provide a complete spectroscopic characterization of both electronic and magnetic properties. Our results reveal that the TM dopants not only affect the magnetic state of the host material, but also significantly alter the electronic structure by generating impurity-derived energy bands. Our findings demonstrate the existence of a delicate interplay between electronic and magnetic properties in TM-doped TIs. In particular, we find that the fate of the topological surface states critically depends on the specific character of the TM impurity: while V- and Fe-doped Sb$_2$Te$_3$ display resonant impurity states in the vicinity of the Dirac point, Cr and Mn impurities leave the energy gap unaffected. The single-ion magnetic anisotropy energy and easy axis, which control the magnetic gap opening and its stability, are also found to be strongly TM impurity-dependent and can vary from in-plane to out-of-plane depending on the impurity and its distance from the surface. Overall, our results provide general guidelines for the realization of a robust QAHE in TM-doped Sb$_2$Te$_3$ in the ferromagnetic state.
Anomalous and Topological Hall effect in Cu doped Sb2Te3 Topological Insulator
在不同温度和不同磁场下对Sb_（1.90）Cu_（0.10）Te_3的磁输运和磁化强度进行了测量。在高场下的磁输运测量表明体态和表面态共存。磁化强度显示了Cu掺杂诱导的反铁磁有序，观察到的量子振荡表明，在Sb 1.90 Cu 0.10 Te 3的磁化强度是体属性。霍尔数据的非线性表明存在反常和拓扑霍尔效应。根据Cu掺杂Sb_2Te_3拓扑绝缘体的霍尔测量数据，对反常和拓扑霍尔效应（THE）进行了评价.
In-plane Magnetization Induced Quantum Anomalous Hall Effect
在二维电子气中，强磁场可以引起量子化的霍尔电导，称为量子霍尔效应;磁性离子的强交换耦合也可以引起量子化的霍尔电导，称为“量子反常霍尔效应“。量子霍尔效应需要面外磁场，类似地，通常认为对于量子反常霍尔效应，磁化应该是面外的。在目前的工作中，我们发现这个条件是不必要的，并预测量子异常霍尔效应也可以诱导两个现实系统中的纯面内磁化，包括Bi $_2$ Te $_3$薄膜的磁掺杂和HgMnTe量子阱的剪切应变，当所有的反射对称性被打破。提出了一个实验装置来证实这种效应，这将为在更广泛的材料中寻找量子反常霍尔效应铺平道路。
Approaching quantum anomalous Hall effect in proximity-coupled YIG/graphene/h-BN sandwich structure
在足够强的交换作用和自旋轨道相互作用下，量子反常霍尔态有望在Dirac电子系统（如石墨烯）中出现。在原始石墨烯中，两种相互作用都不存在;然而，如异常霍尔效应所揭示的，通过将石墨烯耦合到磁性绝缘体（MI）可以获得两种相互作用。在这里，我们展示了通过在亚铁磁绝缘体钇铁石榴石（YIG）和六方氮化硼（h-BN）之间嵌入石墨烯来增强的磁邻近耦合，所述六方氮化硼也用作顶栅电介质。通过扫描顶栅电压，我们观察到费米能级依赖的反常霍尔电导。当从电子和空穴两侧接近狄拉克点时，反常霍尔电导达到量子反常霍尔电导2 e ~ 2/h的1/4。的交换耦合强度被确定为高达27毫电子伏的诱导磁相的转变温度。YIG/graphene/h-BN是一种很好的异质结材料，可以用来研究二维电子系统中的邻近诱导相互作用。
Linear magnetization dependence of the intrinsic anomalous Hall effect
从实验和理论上研究了Mn $_5$ Ge $_3$铁磁薄膜的反常霍尔效应。我们分离了对实验反常霍尔效应的本征和非本征贡献，并利用第一性原理方法从布洛赫态的Berry曲率计算了本征反常霍尔电导率.本征反常霍尔电导率线性依赖于磁化强度，这可以从有限温度下自旋取向的长波长波动来理解。理论和实验之间的定量一致性非常好，不仅在0 K附近，而且在有限温度下，高达约240 K（0.8 T $_C$ }）
