磁性拓扑绝缘体 MnBi2Te4 中的大巡游电子交换耦合
材料科学
2023-03-08 v1 强关联电子
摘要
拓扑材料中的磁性产生表现出量子化输运现象的相，在自旋电子学和量子信息中有应用。此类相的出现依赖于局域自旋与构成拓扑能带的巡游态之间的强相互作用，以及随后交换能隙的形成。然而，这种相互作用在任何本征磁性拓扑材料中都从未被测量过。利用多模态方法，在首个实现的本征磁性拓扑绝缘体 MnBi2Te4 中测量了该交换相互作用。通过探测非平衡自旋动力学，发现巡游能带与局域 Mn 自旋表现出强交换耦合。动量分辨超快电子散射和磁光测量表明，巡游自旋在皮秒时间尺度上通过电子-声子散射而失序。由共振 X 射线散射探测的局域 Mn 自旋虽与初始激发在能量上解耦，却与巡游自旋同时失序。利用原子尺度模拟对结果建模，估计局域与巡游自旋之间的交换耦合比超交换相互作用大 100 倍以上。这意味着拓扑表面态中应出现 >25 meV 的交换能隙。通过直接量化局域-巡游交换耦合，该工作验证了从静态到超快时间尺度上利用局域磁序创造和操控磁性拓扑相的按材料设计策略。
引用
@article{arxiv.2204.04791,
title = {Large Itinerant Electron Exchange Coupling in the Magnetic Topological Insulator MnBi2Te4},
author = {Hari Padmanabhan and Vladimir A. Stoica and Peter Kim and Maxwell Poore and Tiannan Yang and Xiaozhe Shen and Alexander H. Reid and Ming-Fu Lin and Suji Park and Jie Yang and Huaiyu Wang and Nathan Z. Koocher and Danilo Puggioni and Lujin Min and Seng-Huat Lee and Zhiqiang Mao and James M. Rondinelli and Aaron M. Lindenberg and Long-Qing Chen and Xijie Wang and Richard D. Averitt and John W. Freeland and Venkatraman Gopalan},
journal= {arXiv preprint arXiv:2204.04791},
year = {2023}
}