Расчёт ab initio: MnBi2Te4 с немагнитным слоем GeBi2Te4 даёт полуцелую квантовую аномальную фазу Холла
В расчётах препринта немагнитный слой почти снимает обменную щель у одного конуса Дирака в MnBi2Te4; по словам авторов, это может поднять температуру наблюдения эффекта.
В препринте arXiv · препринт, ещё не прошедшем рецензирование, представлено расчётное исследование ab initio плёнки антиферромагнитного топологического изолятора MnBi2Te4 в контакте с немагнитным слоем GeBi2Te4 или Bi2Te3. По данным авторов, такой переход снимает обменное расщепление одного из конусов Дирака на поверхности MnBi2Te4 (0001) и тем самым создаёт полуцелую квантовую аномальную фазу Холла arxiv.org
arXiv · препринтarxiv.orgОткрыть источник ↗. Работа теоретическая, измерений в ней нет.
Гетероструктура и поверхностные состояния
Магнитная часть состоит из 6 или 7 семислойных блоков MnBi2Te4: этого достаточно, чтобы исключить взаимодействие двух её поверхностных состояний. Покрывающий слой — семислойный блок GeBi2Te4 или пятислойный Bi2Te3; их выбрали из-за совпадения периода решётки в плоскости и подходящего выравнивания работ выхода arxiv.org
arXiv · препринтarxiv.orgОткрыть источник ↗. Структура асимметрична, поэтому две поверхности MnBi2Te4 неравноценны: чистая и граничная.
Для одного семислойного блока GeBi2Te4 на MnBi2Te4 расчёт даёт два спин-расщеплённых состояния Дирака на противоположных сторонах гетероструктуры. На чистой поверхности обменное расщепление равно 60 мэВ. На стороне границы оно падает до 2 мэВ, поскольку поверхностное состояние перераспределяется в немагнитный блок arxiv.org
arXiv · препринтarxiv.orgОткрыть источник ↗. Оставшуюся щель авторы объясняют хвостом состояния в граничном слое MnBi2Te4 и наведённой намагниченностью поверхностного блока GeBi2Te4. Дополнительных граничных состояний на уровне Ферми в спектре нет; авторы связывают это с выравниванием работ выхода двух частей.
Холловский отклик
В узком окне малой щели на стороне границы холловская проводимость ведёт себя как в аксионном изоляторе из свободной плёнки MnBi2Te4: нулевое плато при чётном числе магнитных семислойных блоков и плато квантового аномального эффекта Холла при нечётном arxiv.org
arXiv · препринтarxiv.orgОткрыть источник ↗. Отклонение от квантования мало и, как пишут авторы, является остаточным эффектом конечного размера. Вне этого окна, внутри обменной щели чистой поверхности, холловская проводимость приближается к полуквантованному значению.
Для сравнения: полуцелый эффект ранее показали в «полумагнитных» топологических изоляторах: в (Bi/Sb)2Se3 с примесью Cr при 2 К, а с магнитным слоем в (Bi,Sb)2Se3/Cr2Ge2Te6 — до 13 К. Там щель открыта у одного конуса Дирака на стороне покрывающего слоя. Авторы заявляют, что их подход позволяет повысить температуру наблюдения и подходит для других слоистых антиферромагнитных топологических изоляторов; по их словам, можно использовать и другие покрывающие слои и магнитные плёнки.
