Intermixing-driven surface and bulk ferromagnetism in the quantum anomalous Hall candidate MnBi$_6$Te$_{10}$
Abdul V. Tcakaev, Bastian Rubrecht, Jorge I. Facio, Volodymyr B. Zabolotnyy, Laura T. Corredor, Laura C. Folkers, Ekaterina Kochetkova, Thiago R. F. Peixoto, Ph… 展开作者
Abdul V. Tcakaev, Bastian Rubrecht, Jorge I. Facio, Volodymyr B. Zabolotnyy, Laura T. Corredor, Laura C. Folkers, Ekaterina Kochetkova, Thiago R. F. Peixoto, Philipp Kagerer, Simon Heinze, Hendrik Bentmann, Robert J. Green, Pierluigi Gargiani, Manuel Valvidares, Eugen Weschke, Maurits W. Haverkort, Friedrich Reinert, Jeroen van den Brink, Bernd Büchner, Anja U. B. Wolter, Anna Isaeva, Vladimir Hinkov
最近在MnBi $_2$ Te $_4$和MnBi $_4$ Te $_7$中实现的量子反常霍尔效应（QAHE）将（MnBi $_2$ Te $_4$）（Bi $_2$ Te $_3$）$_n$族基准作为进一步QAHE改进的有希望的温床。该家族的潜力归功于其铁磁（FM）有序的MnBi $_2$ Te $_4$七层（SL）。然而，由于SL之间的基本反铁磁（AFM）耦合，在MnBi $_2$ Te $_4$和MnBi $_4$ Te $_7$中QAHE实现是复杂的。对于QAHE有利的FM状态可以通过使SL与增加数量的Bi $_2$ Te $_3$层的$n$交错来稳定。然而，驱动FM状态的机制和必要的QLs的数量还不清楚，表面磁性仍然模糊。在这里，我们展示了强大的FM性能MnBi $_6$ Te $_{10}$（$n = 2$）与$T_C \approx 12$ K，并建立其起源的Mn/Bi混合现象相结合的实验和理论研究。我们的测量揭示了一个磁完整的表面具有较大的磁矩，并与FM属性类似的散装。因此，我们的调查巩固了MnBi $_6$ Te $_{10}$系统作为在高温下的QAHE的前景。
英文摘要：
The recent realizations of the quantum anomalous Hall effect (QAHE) in MnBi$_2$Te$_4$ and MnBi$_4$Te$_7$ benchmark the (MnBi$_2$Te$_4$)(Bi$_2$Te$_3$)$_n$ family as a promising hotbed for further QAHE improvements. The family owes its potential to its ferromagnetically (FM) ordered MnBi$_2$Te$_4$ septuple layers (SL). However, the QAHE realization is complicated in MnBi$_2$Te$_4$ and MnBi$_4$Te$_7$ due to the substantial antiferromagnetic (AFM) coupling between the SL. An FM state, advantageous for the QAHE, can be stabilized by interlacing the SL with an increasing number $n$ of Bi$_2$Te$_3$ layers. However, the mechanisms driving the FM state and the number of necessary QLs are not understood, and the surface magnetism remains obscure. Here, we demonstrate robust FM properties in MnBi$_6$Te$_{10}$ ($n = 2$) with $T_C \approx 12$ K and establish their origin in the Mn/Bi intermixing phenomenon by a combined experimental and theoretical study. Our measurements reveal a magnetically intact surface with a large magnetic moment, and with FM properties similar to the bulk. Our investigation thus consolidates the MnBi$_6$Te$_{10}$ system as perspective for the QAHE at elevated temperatures.
Coexistence of Surface Ferromagnetism and Gapless Topological State in MnBi$_2$Te$_4$
表面磁性及其与电子结构的相关性对于理解内禀磁性拓扑绝缘体MnBi $_2$ Te $_4$的无带隙拓扑表面态是至关重要的。在这里，使用静态和时间分辨角分辨光电子能谱（ARPES），我们发现了一个显着的ARPES强度变化与间隙开放的拉什巴样导带。与模型模拟的比较强烈地表明，解理MnBi $_2$ Te $_4$的表面磁性与其体相状态相同。表面铁磁性和无带隙TSS的共存揭示了MnBi $_2$ Te $_4$的新的复杂性，这可能是负责剥离的MnBi $_2$ Te $_4$的低量子反常霍尔温度。
Interlayer Ferromagnetism and High-Temperature Quantum Anomalous Hall Effect in \textit{p}-Doped MnBi$_2$Te$_4$ Multilayers
层间反铁磁耦合阻碍了磁性拓扑绝缘体MnBi $_2$ Te $_4$中量子反常霍尔效应的观察。我们证明，层间\textit{ferromagnetism}可以建立通过利用\textit{p}掺杂方法在MnBi $_2$ Te $_4$多层膜。在两个七层系统中，通过掺杂元素（例如，N、P、As、Na、Mg、K和Ca），这是由于Mn的轨道占据的重新分配。我们进一步发现，Mg和Ca元素是最合适的候选者，因为它们的低形成能。尽管\textit{p}掺杂的两个七重层表现出拓扑上平凡的能带结构，但是用Ca（Mg）掺杂剂将层厚度增加到三（四）个七重层导致量子反常霍尔效应的形成。我们提出的\textit{p}掺杂策略不仅使MnBi $_2$ Te $_4$成为一个理想的实现高温量子反常霍尔效应的平台，而且可以补偿MnBi $_2$ Te $_4$中本征\textit{n}型缺陷的电子.
在拓扑绝缘体中剪裁磁序是实现拓扑量子现象的关键。一个突出的挑战是找到一种材料，其中原子缺陷导致可调的磁秩序，同时保持一个非平凡的拓扑结构。在这里，通过结合磁化测量，角分辨光电子能谱，透射电子显微镜，我们揭示了无序启用，可调磁基态MnBi $_6$ Te $_{10}$。在铁磁相，15毫电子伏的能隙是解决在狄拉克点上的MnBi $_2$ Te $_4$终止。相反，反铁磁MnBi $_6$ Te $_{10}$在所有终端上都表现出无隙拓扑表面态。透射电子显微镜和磁化强度测量揭示了铁磁MnBi $_6$ Te $_{10}$中大量的Mn空位和Mn迁移。我们提供了一个概念框架，这些缺陷的合作相互作用驱动一个微妙的整体磁基态能量的变化，并导致可调磁拓扑秩序。我们的工作提供了一个明确的途径，纳米缺陷工程实现拓扑量子相。
Charge Carrier Mediation and Ferromagnetism induced in MnBi6Te10 Magnetic Topological Insulators by antimony doping
MnBi_2 Te_4是一种新型的内禀磁性拓扑绝缘体（MTI），它在观察量子反常霍尔效应（QAHE）等新型拓扑量子效应方面具有重要意义。然而，强的反铁磁（AFM）耦合和高的载流子浓度阻碍了实际应用。在密切相关的材料MnBi 4 Te 7和MnBi 6 Te 10中，层间磁耦合被Bi 2 Te 3层插入极大地抑制。然而，AFM仍然是这些化合物中的基态。通过磁性和输运测量，我们证明了Sb替代掺杂在MnBi 6 Te 10中具有双重作用，不仅可以调节载流子类型和浓度，而且可以诱导固体进入铁磁（FM）基态。在Mn（SbxBi 1-x）6 Te 10的相图中，当x ~ 0. 25时，出现了一个接近电荷中性点的原子力显微镜基态区域。本征FM-MTI候选材料的提出为今后实现高质量高温QAHE及相关的拓扑量子效应提供了一个新的思路。
Coexistence of Ferromagnetism and Topology by Charge Carrier Engineering in intrinsic magnetic topological insulator MnBi4Te7
本征磁性拓扑绝缘体（MTIs）MnBi 2 Te 4和MnBi 2 Te 4/（Bi 2 Te 3）n有望实现高温量子反常霍尔效应（QAHE）和无耗散电输运。人们在这一领域做了大量的工作，但仍然缺乏理想的具有铁磁（FM）基态磁有序的MTI候选物。在这里，我们展示了一个MTI样品的Mn（Bi 0.7Sb 0.3）4 Te 7，它持有的FM基态和拓扑非平凡的共存。利用原子力显微镜有序化技术，通过在MnBi_4 Te_7基体中引入Sb元素，实现了载流子工程化过程对磁性的显著调制。通过磁性测量和理论计算，系统地研究了Mn（Bi 1-xSbx）4 Te 7的磁性演化. x = 0.3的FM样品的清晰的拓扑表面态也被角分辨光电子能谱所证实。我们还知道，x = 0.3的FM样本接近电荷中性点。因此，本征FM-MTI的Mn（Bi_（0.7）Sb_（0.3））_4 Te_7在本工作中的演示为QAHE实现和优化的进一步研究提供了启发。
Detection of magnetic gap in the topological surface states of MnBi2Te4
近年来，本征反铁磁拓扑绝缘体MnBi2Te 4由于具有量子反常霍尔效应、轴子绝缘体态等量子相而引起了人们的广泛关注，并在物理学和材料科学领域取得了重大进展。实现这些量子态的一个重要因素是由MnBi 2 Te 4表面的面外铁磁性引起的拓扑表面态中的磁隙。然而，表面间隙的实验观测仍然存在争议。在这里，我们报告的表面间隙通过点接触隧道光谱的观察。与理论计算相一致，间隙大小为约50毫电子伏，随着温度的升高，随着样品变得顺磁性而消失。通过样品表面的点接触结在面外磁场作用下检测到磁阻滞后，证实了样品表面的铁磁性。此外，非零输运自旋极化来自铁磁性的点接触Andreev反射光谱确定。结合这些结果，揭示了MnBi2Te4拓扑表面态的磁致能隙.
Observation of high-temperature quantum anomalous Hall regime in intrinsic MnBi$_2$Te$_4$/Bi$_2$Te$_3$ superlattice
量子反常霍尔效应是拓扑非平凡系统在零磁场中的一种基本输运响应。它的物理起源依赖于本质上反转的电子能带结构和铁磁性，其最重要的表现是边缘的手性电荷电流的无耗散流动，这可能会改变未来的量子电子学。在这里，我们报告了一个以前未知的贝里曲率驱动的异常霍尔制度（“Q窗口”）在上述开尔文温度的磁性拓扑体晶体，通过生长Mn离子自组织成周期有序的MnBi $_2$ Te $_4$ /Bi $_2$ Te $_3$超晶格。强大的铁磁性的MnBi $_2$ Te $_4$单层打开一个大的表面间隙，和异常霍尔电导达到一个$e^2/h$量子化平台时，费米能级被调谐到这个间隙内的Q-窗口，其中异常霍尔电导从散装是一个高精度为零。在这个新的制度的量子化是不阻碍的散装传导通道，因此应该存在于一个广泛的家庭的拓扑磁体。
Direct visualization of surface spin-flip transition in MnBi4Te7
我们报告直接可视化的反铁磁体MnBi4Te7，一个自然的超晶格交替MnBi2Te4和Bi2Te3层，使用低温磁力显微镜（MFM）的表面层的自旋翻转转变。跨畴壁和台阶边缘的磁性对比的观察证实，反铁磁秩序持续到表面层。MFM图像的磁场依赖性揭示了表面磁性层在低于体转变的磁场下经历一阶自旋翻转转变，与修正的Mills模型非常一致。我们的分析表明，在表面磁性层的序参量的增强，这意味着强大的铁磁性在单层极限。表面自旋翻转跃迁的直接可视化不仅为层状反铁磁体表面变磁跃迁的探索开辟了新的途径，而且为实现MnBi 4 Te 7超薄膜等天然超晶格拓扑磁体的量子化输运提供了实验支持.
Native point defects and their implications for the Dirac point gap at MnBi$_2$Te$_4$(0001)
反铁磁拓扑绝缘体MnBi $_2$ Te $_4$表面的狄拉克点能隙是一个备受争议的问题。虽然早期的光电子能谱测量报告了与理论预测一致的大间隙，但其他实验发现MnBi $_2$ Te $_4$狄拉克锥的分裂非常小。在这里，我们研究了MnBi $_2$ Te $_4$（0001）的晶体结构和电子结构，使用扫描隧道显微镜/光谱（STM/S），微（$μ$）-激光角分辨光电子能谱（ARPES），和密度泛函理论（DFT）计算。我们的地形STM图像清楚地揭示了对应于点缺陷的功能，在表面的Te和表面下的Bi层，我们确定与STM模拟的帮助下，作为Bi $_\text{Te}$反位（Bi原子在Te网站）和Mn $_\text{Bi}$取代（Mn原子在Bi网站），分别。X射线衍射（XRD）实验进一步证明了阳离子（Mn-Bi）混合的存在。总之，这影响了Mn原子的分布，这不可避免地导致MnBi $_2$ Te $_4$磁结构与理想晶体结构预测的磁结构的偏差。我们的传输测量表明，这种偏离的程度因样品而异。ARPES/STS实验结果表明，对于不同的样品/样品劈裂，拓扑表面态的Dirac点能隙是不同的.我们的DFT表面电子结构的计算表明，由于占主导地位的本地化的拓扑表面状态附近的Bi层，Mn $_\text{Bi}$缺陷可以导致强烈的减少MnBi $_2$ Te $_4$狄拉克点间隙，最近证明的反平行对齐的Mn…
Defect-driven ferrimagnetism and hidden magnetization in MnBi$_2$Te$_4$
MnBi $_2$ Te $_4$（MBT）材料是一种很有前途的反铁磁拓扑绝缘体，其场驱动铁磁性可引起轴子绝缘体和Weyl半金属态之间的转变.然而，Mn/Bi反位缺陷和主Mn层之间的反铁磁耦合的存在可以降低低场磁化，并且已经表明，这种缺陷在结构相同的平凡磁性绝缘体MnSb $_2$ Te $_4$（MST）中更普遍。我们使用高场磁化测量表明，MBT和MST的磁化发生在阶段和完全饱和需要~ $\sim$ ~60特斯拉的领域。因此，MBT中的低场磁化平台状态，其中许多量子反常霍尔态的确定进行了研究，实际上由亚铁磁七重块包含均匀和交错的磁化分量。
Intrinsic magnetic topological insulators in van der Waals layered MnBi$_2$Te$_4$-family materials
磁性与拓扑学的相互作用是凝聚态物理和材料科学的重要研究课题，它为探索量子反常霍尔效应、轴子电动力学和马约拉纳费米子等新兴物理提供了巨大的机会。然而，由于缺乏合适的工作材料，这些奇异的物理效应在实验中很少实现。在这里，我们预测，范德华层状MnBi $_2$ Te $_4$ -家庭材料显示二维（2D）铁磁性在单层和三维（3D）$A$型反铁磁性在块体，这可以作为一个新一代的材料平台，为国家的最先进的研究。值得注意的是，我们预测非常丰富的拓扑量子效应与突出的功能，在实验可用的材料MnBi $_2$ Te $_4$，包括3D反铁磁拓扑绝缘体与长期寻求的拓扑轴子状态，II型磁性Weyl半金属（WSM）与简单的一对Weyl点，和高温本征QAH效应。这些惊人的预测，如果实验证明，可能会深刻地改变拓扑量子物理学的未来研究和技术。
Intrinsic Even-Odd Thickness-Driven Anomalous Hall in Epitaxial MnBi2Te4 Thin Films
Oak Ridge National Laboratory（橡树岭国家实验室）；Pennsylvania State University（宾夕法尼亚州立大学）；Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）；Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室）；University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）
Self-organization mechanism in Bridgman-grown MnBi2Te4/(Bi2Te3)n: influence on layer sequence and magnetic properties
Institute of Physics, Polish Academy of Sciences（波兰科学院物理研究所）；Faculty of Chemistry, Biological and Chemical Research Centre, University of Warsaw（华沙大学化学学院生物与化学研究中心）；Faculty of Physics, University of Warsaw（华沙大学物理学院）；Center for Science and Innovation in Spintronics, Tohoku University（东北大学自旋电子学科学与创新中心）；Laboratory for Nanoelectronics and Spintronics, Research Institute of Electrical Communication, Tohoku University（东北大学电气通信研究所纳米电子学与自旋电子学实验室）
Realizing gapped surface states in magnetic topological insulator MnBi$_{2-x}$Sb$_{x}$Te$_{4}$
磁性拓扑绝缘体（MTI）中的磁性与非平凡拓扑之间的相互作用有望产生各种奇异的拓扑量子现象，如量子反常霍尔（QAH）效应和拓扑轴子态。评估这些新特性的一个关键是调整狄拉克表面带的交换能隙中的费米能级。MnBi $_2$ Te $_4$具有能够实现所有这些量子态的具有本征反铁磁（AFM）态的非平凡能带拓扑，然而，MnBi $_2$ Te $_4$晶体的高度电子掺杂性质阻碍了带隙拓扑表面态的展现。在这里，我们通过Sb取代来定制材料，以揭示MnBi $_{2-x}$ Sb $_{x}$ Te $_{4}$（MBST）中的带隙表面态。通过将费米能级移动到MBST的体带隙中，我们访问表面态，并通过扫描隧道显微镜/光谱（STM/STS）测量的准粒子干涉（QPI）在狄拉克点处显示50 meV的带隙。通过多探针STM测量的输运光谱，在Néel温度以下证实了表面主导传导。表面带隙对面外磁场具有鲁棒性，尽管场致铁磁性的促进。具有大交换带隙的体绝缘MTI的实现为探索涌现拓扑现象提供了一个很有前途的平台。
Fermi level dependence of magnetism and magnetotransport in the magnetic topological insulators Bi$_{2}$Te$_{3}$ and BiSbTe$_{3}$ containing self-organized MnBi$_{2}$Te$_{4}$ septuple layers
Structure-driven intercalated architecture of septuple-atomic-layer $MA_2Z_4$ family with diverse properties from semiconductor to topological insulator to Ising superconductor
受七原子层MnBi $_2$ Te $_4$在结构上可以看作是双原子层MnTe嵌入五原子层Bi $_2$ Te $_3$的组合的事实的启发，我们提出了一种构造12个七原子层的$α_i$ -和$β_i$ - $MA_2Z_4$单层家族的一般方法（\emph{i} = 1至6）通过将MoS $_2$ -型$MZ$ $_2$单层插入InSe-型A $_2$ Z $_2$单层中。除了再现实验合成的$α_1$ $_2$ N $_4$、$α_1$ $_2$ N $_4$和$β_5$ $_2$ Te $_4$单层材料之外，还预测了另外66种在价电子数（VEC）上跨越宽范围的性质的结晶和动态稳定的$MA_2Z_4$。具有32或34 VEC规则的$MA_2Z_4$大多数是具有直接或间接带隙的半导体，然而，具有33 VEC的通常是金属、半金属铁磁性或无自旋带隙半导体，取决于未成对电子是否被自旋极化。此外，我们还提出了用于自旋谷极化的$α_2$ $_2$ PPDMATHABMN，用于Ising超导体的$α_1$ $_2$ NPDMATHABMN和用于拓扑绝缘体的$β_2$ $_2$ Se $_4$.
Relationship among Structural, Disordered, Magnetism and Band Topology in MnSb2Te4(Sb2Te3)n Family
Renmin University of China（中国人民大学）；ShanghaiTech University（上海科技大学）；Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院物理研究所）；University of Chinese Academy of Science（中国科学院大学）；Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research（高压科学先进研究中心）
Disorder-driven symmetry suppression by van der Waals planar defects in a magnetic topological insulator
KU Leuven（荷语鲁汶大学）；Université Catholique de Louvain（天主教鲁汶大学）；University of Notre Dame（圣母大学）；Sorbonne Université（索邦大学）；CNRS（法国国家科学研究中心）；Synchrotron SOLEIL（SOLEIL同步辐射中心）
