Anomalous Edge Contrast in Magnetic Force Imaging of 2D Topological Insulators
Wake Forest University（维克森林大学）；Quoherent Inc.（Quoherent公司）；Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）
Timothy W. Carlson, Motahhare Mirhosseini, Allison Swyt, Gabriel Marcus, Daniel Lazega, Scott McGuire, Lindsey J. Gray, Anthony Walsh, Swathi Kadaba, Maria Kole… 展开作者
Timothy W. Carlson, Motahhare Mirhosseini, Allison Swyt, Gabriel Marcus, Daniel Lazega, Scott McGuire, Lindsey J. Gray, Anthony Walsh, Swathi Kadaba, Maria Kolesnik-Gray, C. C. Dun, Vojislav Krstic, D. L. Carroll
Magnetic force imaging (MFM) of 2D topological insulators, such as crystalline plates of Bi2Te3 and Bi2Se3, reveals anomalously large contrast around the plate edges even under ambient imaging conditions. And while there are several known contrast mechanisms in MFM, these cannot easily explain the magnitude of contrast observe for such systems. In this work we use multi-parameter magnetic force phase imaging together with a simple analytical model to suggest that the observed magnetic edge-features can be associated with two sources: a pseudo-Faraday effect in the conductive edge channels of the topological system and magnetic scattering in those channels caused by the proximal, localized field of the tip. These results suggest novel MFM contrast mechanisms unique to topological systems and point to the utility of multi-parameter MFM techniques in studies of topological-material-based circuit elements.
Large Anomalous Hall Effect in Topological Insulators with Proximitized Ferromagnetic Insulators
报道了由铁磁绝缘体Cr2 Ge 2 Te 6和拓扑绝缘体（Bi，Sb）2 Te 3组成的全碲化物异质结构中邻近驱动的大反常霍尔效应.尽管在（Bi，Sb）2 Te 3层的磁化小，异常霍尔电导率达到0.2e2/h的大值，符合铁磁响应的Cr2 Ge 2 Te 6。结果表明，拓扑绝缘体的表面态与邻近层Cr2 Ge 2 Te 6之间的交换耦合是有效的，并且足够强，可以打开表面态的交换能隙.
Large bandgap quantum anomalous hall insulator in a designer ferromagnet-topological insulator-ferromagnet heterostructure
结合磁性和非平凡能带拓扑结构，产生量子反常霍尔（QAH）绝缘体和奇异量子相，如QAH效应，其中电流沿着量子边缘态流动而没有耗散。通过接近磁性材料在拓扑绝缘体中诱导磁有序为在高温下实现无损输运应用的QAH效应提供了一条有前途的途径。一个有前途的架构涉及一个三明治结构，包括两个单层的MnBi 2 Te 4（2D铁磁绝缘体）与超薄Bi 2 Te 3在中间，并预测产生一个强大的QAH绝缘体相，带隙远高于热能在室温下（25 meV）。在这里，我们展示了通过分子束外延生长的1 SL MnBi 2 Te 4/4 QL Bi 2 Te 3/1 SL MnBi 2 Te 4异质结，并探测电子结构的角度分辨光电子能谱学。我们观察到强大的六角形扭曲的大规模狄拉克费米子和75 meV的带隙。时间反演对称性破缺和交换Rashba效应的观察证实了带隙的磁性起源，与密度泛函理论计算结果非常一致。这些发现提供了对拓扑绝缘体中的磁邻近效应的深入了解，这将使拓扑绝缘体中的无损传输向更高的温度移动。
Spectral signatures of the surface anomalous Hall effect in magnetic axion insulators
磁性拓扑系统（如Weyl半金属和轴子绝缘体）的拓扑表面态与非零或半量子化的表面反常霍尔效应等非常规输运性质有关。本文利用模型哈密顿量和第一性原理计算研究了不同磁拓扑相位下的表面反常霍尔效应及其光谱特征。我们证明，通过定制的磁化和层间电子跳跃，可以建立一个丰富的三维拓扑相图，包括三种类型的拓扑不同的绝缘相桥接的Weyl半金属，并可以直接映射到现实的材料，如MnBi 2 Te 4/（Bi 2 Te 3）n系统。其中，我们发现，在轴子绝缘体相的表面异常霍尔电导率是一个很好的本地化量饱和或振荡在e2/2 h左右，这取决于磁均匀性。我们还讨论了由此产生的手征铰链模式嵌入内的侧表面带的传输测量的潜在的实验签名。我们的研究是朝着在现实材料系统中直接实现长期寻求的轴子绝缘体迈出的重要一步。
Nonmagnetic-Doping Induced Quantum Anomalous Hall Effect in Topological Insulators
在磁掺杂拓扑绝缘体中实验观察到量子反常霍尔效应。然而，超低温（通常低于300 mK），这主要是由于不均匀的磁性掺杂，成为一个艰巨的挑战，潜在的应用。本文提出了一种\textit{nonmagnetic}掺杂策略，在拓扑绝缘体中产生铁磁性并实现QAHE。我们数值计算表明，磁矩可以诱导由氮或碳取代在Bi $_2$ Se $_3$，Bi $_2$ Te $_3$，和Sb $_2$ Te $_3$，但只有氮掺杂的Sb $_2$ Te $_3$表现出长程铁磁性和保持大的体带隙。我们进一步表明，其相应的薄膜可以在17-29开尔文的温度下窝藏QAHE，这比类似系统中的典型温度高两个数量级。我们提出的\textit{nonmagnetic}掺杂方案可能为拓扑绝缘体中高温QAHE的实验实现提供新的思路。
Quantized Anomalous Hall Effect in Magnetic Topological Insulators
霍尔效应、反常霍尔效应和自旋霍尔效应分别是由洛伦兹力和自旋轨道耦合引起的固体中的基本输运过程。近年来，人们发现了量子形式的霍尔效应和自旋霍尔效应。然而，量子化反常霍尔（QAH）效应尚未在实验上实现。在QAH绝缘体中，自发磁矩和自旋-轨道耦合结合产生拓扑非平凡的电子结构，导致量子化的霍尔效应而无需任何外部磁场。在这项工作中，基于最先进的第一性原理计算，我们预测的辉碲铋矿半导体Bi $_2$ Te $_3$，Bi $_2$ Se $_3$，和Sb $_2$ Te $_3$形成磁有序的绝缘体时，掺杂过渡金属元素（Cr或Fe），在鲜明对比，传统的稀磁半导体中，自由载流子是必要的调解磁耦合。二维薄膜中的磁序产生了以有限的陈数为特征的拓扑电子结构，具有量子化的霍尔电导$e^{2}/h$。长期追求的QAH绝缘体状态的实验实现可以在室温下实现稳健的无耗散电荷传输。
Metal-to-Insulator Switching in Quantum Anomalous Hall States
经过几十年对无外磁场条件下无耗散输运的探索，最近在磁性拓扑绝缘体（TI）薄膜中实现了量子反常霍尔效应（QAHE）。然而，QAHE的普适相图及其与量子霍尔效应（QHE）的关系还有待研究。本文报道了在六层五层（Cr0.12Bi0.26Sb0.62）2 Te 3薄膜中，在矫顽场下观察到的巨纵向电阻峰和零霍尔电导平台，并证明了在0.3K温度下，金属-绝缘体在两个相反的QAHE平台态之间的转换.此外，通用QAHE相图是通过角度相关的测量实现的。我们的结果表明，量子相变在QAHE和QHE制度是在同一普适类，但微观细节是不同的。此外，QAHE绝缘态的实现揭示了探索量子相位相关物理和应用的新方法。
Quantum Anomalous Hall Effect in Magnetic Doped Topological Insulators and Ferromagnetic Spin-Gapless Semiconductors -- A Perspective Review
量子反常霍尔效应是电子学/自旋电子学输运应用中的无耗散手征边缘态的标志，可以在具有大自旋轨道耦合和强内禀磁化的材料中实现。在Halfman开创性的提议之后，已经提出了几种模型来控制/增强自旋轨道耦合和内禀磁交换相互作用。本文在简要介绍了无脊椎费米子的Halfton模型之后，重点讨论了以下三种基本的量子反常Hall模型：（i）磁掺杂拓扑绝缘体（Bi，Sb）2 Te 3薄膜的低能有效四带模型，（ii）磁性吸附原子的石墨烯的四带紧束缚模型，和（iii）具有蜂窝（kagome）晶格的铁磁自旋无隙半导体的两（三）带自旋紧束缚模型，其中基态是本征铁磁的。这些模型涵盖了二维Dirac材料中的无自旋、有自旋和自旋简并的Dirac点，其中各种质量项打开带隙并导致量子反常霍尔效应。重点讨论了铁磁交换作用驱动的拓扑相变及其与自旋轨道耦合的相互作用，讨论了对质量项性质的各种对称性约束以及这些模型的具体化。我们希望这项研究将有助于阐明量子反常霍尔材料的基本理论观点。
Thickness-Driven Quantum Anomalous Hall Phase Transition in Magnetic Topological Insulator Thin Films
磁性拓扑绝缘体（MTIs）中的量子化反常霍尔效应在拓扑量子物理和低功率电子学/自旋电子学应用中具有巨大的发展潜力。为了在零磁场下实现无耗散手性边缘传导，由对准的磁性掺杂剂产生的有效交换场需要足够大以产生特定的自旋子带配置。在这里，我们报告的厚度定制的量子反常霍尔（QAH）效应在铬掺杂（Bi，Sb）2 Te 3薄膜通过调整系统跨越二维（2D）的限制。除了与Chern数相关的金属-绝缘体QAH相变外，我们还证明了诱导杂化能隙在确定MTIs的基态中起着不可或缺的作用，即由于相当大的Van Vleck自旋磁化率而产生的自发磁化保证了厚样品中具有幺正标度律的零场QAH态，而在超薄膜中，霍尔电导的量子化只能借助于外磁场来实现。通过结构工程对拓扑和磁性的调制可以为追求基于QAH的新相图和功能提供有用的指导。
Intermediate anomalous Hall states induced by noncollinear spin structure in magnetic topological insulator MnBi2Te4
拓扑结构和磁性的结合是产生奇异量子物质的诱人途径，如量子反常霍尔态、轴子绝缘体和磁性外尔半金属等。MnBi 2 Te 4作为一种内禀磁性拓扑绝缘体，为实现各种拓扑相提供了平台。在这里，我们报告的中间霍尔台阶的磁滞MnBi 2 Te 4，其中四个可区分的磁记忆状态在零磁场被揭示。磁性中间态的门和温度依赖性表明MnBi 2 Te 4中的非共线自旋结构，这可以归因于Dzyaloshinskiii-Moriya相互作用，即强自旋-轨道耦合和表面局部反转对称性破缺的共存。此外，这些多个磁存储器状态可以通过施加设计的磁场脉冲来编程地在彼此之间切换。我们的研究结果提供了新的见解的影响体拓扑结构的磁状态，和多个存储状态应该是有前途的自旋电子器件。
Tailoring Hybrid Anomalous Hall Response in Engineered Magnetic Topological Insulator Heterostructures
在新兴的磁性拓扑绝缘体（MTIs）中设计反常霍尔效应（AHE）在量子信息处理和自旋电子学应用中具有巨大的潜力。在这封信中，我们合成的外延Bi 2 Te 3/MnTe磁性异质结，并观察到明显的AHE信号从两个层结合在一起。所得到的混合AHE强度与顶部Bi 2 Te 3层厚度的演变表明在异质层界面处的拓扑表面态诱导的本征铁磁相的存在。更重要的是，通过用Sb掺杂Bi 2 Te 3层，我们能够操纵Berry相关联的AHE分量的符号。我们的研究结果表明，MTI异质结构的非线性优势，磁掺杂的TI对应物，其中AHE响应的可调谐性可以大大提高。这反过来又为基于MTI异质结构的多功能应用开辟了新的途径。
Large anomalous Hall effect in ferromagnetic insulator-topological insulator heterostructures
我们证明了拓扑绝缘体化合物Bi 2 Te 3在铁磁绝缘体Cr 2 Ge 2 Te 6上的范德华外延。这些层的取向为Bi 2 Te 3的（001）平行于Cr2 Ge 2 Te 6的（001），Bi 2 Te 3的（110）平行于Cr2 Ge 2 Te 6的（100）。横截面透射电子显微镜表明形成了尖锐的界面。在低温下，由Bi_2 Te_3/Cr_2Ge_2 Te_6组成的双层膜表现出很大的反常霍尔效应（AHE）。倾斜场的AHE的研究表明，易轴位于沿c轴的异质结构，与体Cr2 Ge 2 Te 6的磁化测量一致。Cr2 Ge 2 Te 6的61 K居里温度和近化学计量比材料的使用可能导致基于AHE的自旋电子器件的发展。
Gate-tunable anomalous Hall effect in stacked van der Waals ferromagnetic insulator - topological insulator heterostructures
新的拓扑相，如量子反常霍尔绝缘体（QAHI）或轴子绝缘体的搜索，激发了不同的方案，将磁性引入拓扑绝缘体。一种方案是在拓扑绝缘体中引入铁磁掺杂剂。然而，这通常是具有挑战性的，并且需要仔细设计的生长/异质结构或相对较低的温度来观察QAHI，这是由于诸如铁磁掺杂剂增加的无序等问题。另一个有前途的方案是利用磁性绝缘体的磁邻近效应来磁化拓扑绝缘体。迄今为止，这些异质结构中的大多数是通过诸如分子束外延和金属有机化学气相沉积的生长技术合成的。由于生长条件和晶格失配的差异，这些不容易适用于允许混合和匹配许多可用的铁磁和拓扑绝缘体。在这里，我们证明了磁性邻近效应仍然可以通过干燥转移的剥离微米大小的薄片的范德华拓扑绝缘体和磁性绝缘体材料（BiSbTeSe 2/Cr2 Ge 2 Te 6）组装在堆叠的异质结构中获得，证明了在一个异常的霍尔效应（AHE）的观察。此外，当通过静电门控控制载流子密度时，由这些异质结构制成的器件可以允许AHE的调制。这些结果表明，磁性范德华材料的简单机械转移提供了另一种可能的途径，磁化拓扑绝缘体的磁邻近效应，一个关键的一步，进一步实现新的拓扑相，如QAHI和轴子绝缘体。
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.
Anomalous Aharonov-Bohm conductance oscillations from topological insulator surface states
研究了拓扑绝缘体纳米线在沿其长度方向施加磁场时的输运性质。我们预测，与强表面无序，一个特征签名的带拓扑结构中透露的Aharonov玻姆（AB）振荡的电导。这些振荡具有异常周期$Φ_0=hc/e$的分量，并且在$\frac12Φ_0$的奇数倍处具有电导最大值，即当表面电子的AB相是$π$时。这与能带拓扑和表面曲率诱导的Berry相密切相关，特别是对于拓扑绝缘体表面。我们讨论了最近的实验上的Bi $_2$ Se $_3$纳米带的相似性和差异，并观察这种效果的最佳条件。
Chiral edge plasmons in quantum anomalous Hall insulators
Beijing Forestry University（北京林业大学）；Beijing Institute of Technology（北京理工大学）；Chinese Academy of Sciences（中国科学院）；University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）
Experimental Observation of the Quantum Anomalous Hall Effect in a Magnetic Topological Insulator
量子化版本的反常霍尔效应已被预测发生在磁性拓扑绝缘体中，但实验实现一直具有挑战性。本文报道了在磁性拓扑绝缘体Cr掺杂（Bi，Sb）2 Te 3薄膜中观察到的量子反常霍尔（QAH）效应。在零磁场下，门极调谐的反常霍尔电阻达到了预测的量子化值h/e^2，同时纵向电阻显著下降。在强磁场下，纵向电阻消失，而霍尔电阻保持在量子化值。QAH效应的实现可能导致低功耗电子器件的发展。
