拓扑绝缘体薄膜中掺杂浓度诱导的磁交换相互作用的演化
介观与纳米尺度物理
2026-04-28 v1 材料科学
摘要
量子反常霍尔(QAH)效应的两个基本要素,即拓扑序与磁序,可通过将磁性离子掺杂到拓扑绝缘体(TI)薄膜中而结合。通过该方法,QAH 效应已在铬(Cr)和/或钒(V)掺杂的 TI (Bi,Sb)2Te3 薄膜中实现。本工作中,我们利用分子束外延(MBE)合成了具有可控掺杂浓度的 V 和 Cr 掺杂 Bi2Te3 薄膜。通过输运测量,我们发现两个体系均表现出关于磁性掺杂浓度的不寻常但相似的铁磁响应,具体而言居里温度并非单调增加,而是在临界掺杂浓度处呈现局域极大值。我们的角分辨光电子能谱(ARPES)测量表明,Cr/V 掺杂向 Bi2Te3 中引入空穴载流子,从而将化学势移向电荷中性点。此外,Cr/V 掺杂还减弱了 Bi2Te3 的自旋轨道耦合,使其从非平庸 TI 转变为平庸半导体。在 Cr/V 掺杂 Bi2Te3 薄膜中观察到的不寻常铁磁响应归因于掺杂浓度诱导的磁交换相互作用,其展现出从非平庸磁性 TI 中的 van Vleck 型铁磁性到平庸稀磁半导体中的 Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) 型铁磁性的演化。我们的工作为理解磁性掺杂 TI 薄膜的铁磁性质提供了见解,并有助于追求高温 QAH 效应。
引用
@article{arxiv.2202.13217,
title = {Evolution of Dopant-Concentration-Induced Magnetic Exchange Interaction in Topological Insulator Thin Films},
author = {Fei Wang and Yi-Fan Zhao and Zijie Yan and Hemian Yi and Wei Yuan and Lingjie Zhou and Weiwei Zhao and Moses H. W. Chan and Cui-Zu Chang},
journal= {arXiv preprint arXiv:2202.13217},
year = {2026}
}
备注
17 pages, 4 figures. Comments are welcome