Mn 诱导 Bi$_2$Te$_3$ 异质结构中狄拉克点处的大磁性能隙
材料科学
2020-02-19 v1
摘要
磁性掺杂拓扑绝缘体可实现量子反常霍尔效应（QAHE），其为无损电荷输运应用提供量子化边缘态。边缘态由狄拉克点处的磁性能隙承载，但所有直接观测它的尝试均未成功。能隙大小被认为对克服 QAHE 目前的局限至关重要，迄今为止其仅在低于铁磁居里温度 一到两个数量级的温度下出现。在此，我们利用低温光电子能谱明确揭示 Mn 掺杂 BiTe 薄膜的磁性能隙，该能隙仅存在于 以下。令人惊讶的是，该能隙宽度达 90 meV，不仅超过室温下的 ，也比密度泛函理论预测的大 5 倍。通过详尽的多尺度结构表征，我们表明此增强源于 Mn 掺杂引起的显著结构修饰。它形成了七层与五层块交替的序列，而非无序杂质系统，其中 Mn 主要掺入七层块中。正如近期所预测，这种自组织异质结构大幅增强了波函数重叠及狄拉克点处磁性能隙的大小。Mn 掺杂 BiSe 形成类似异质结构，但仅形成大的非磁性能隙。我们基于 BiTe 中更强的自旋轨道相互作用解释这两者的差异，其最重要后果是垂直于薄膜的磁各向异性，而对于 BiSe 自旋轨道相互作用太弱而无法克服偶极-偶极相互作用。我们的发现为将拓扑绝缘体的无损输运特性推向室温应用提供了关键见解。
引用
@article{arxiv.1810.06238,
title = {Large magnetic gap at the Dirac point in a Mn-induced Bi$_2$Te$_3$ heterostructure},
author = {E. D. L. Rienks and S. Wimmer and P. S. Mandal and O. Caha and J. Růžička and A. Ney and H. Steiner and V. V. Volobuev and H. Groiss and M. Albu and S. A. Khan and J. Minár and H. Ebert and G. Bauer and A. Varykhalov and J. Sánchez-Barriga and O. Rader and G. Springholz},
journal= {arXiv preprint arXiv:1810.06238},
year = {2020}
}
备注
23 pages, 5 figures