Large magnetic gap at the Dirac point in Bi2Te3/MnBi2Te4 heterostructures

Abstract

Magneticky dopované topologické izolátory umožňují kvantově anomální Hallův efekt (QAHE), která poskytuje kvantizované okrajové stavy pro bezeztrátové aplikace pro transport náboje. Hraniční stavy jsou v Diracově bodě vedeny mezerou magnetické energie, ale dosud všechny pokusy o přímé pozorování této mezery byly neúspěšné. Pozorování mezery je považováno za zásadní pro překonání omezení QAHE, k níž dosud dochází pouze při teplotách, které jsou o jeden až dva řády nižší než teplota feromagnetické Curie, TC. Zde používáme nízkoteplotní fotoelektronovou spektroskopii k jednoznačnému odhalení magnetické mezery Bi2Te3 dopovaného Mn, která zobrazuje feromagnetickou mimosměrnou spinovou strukturu a otevírá se pouze pod TC. Naše analýza překvapivě odhaluje velké mezery při 1 kelvinu až 90 milielektronvoltů, což je ive krát větší, než bylo teoreticky předpovězeno. Použitím analýzy ve více stupních ukazujeme, že toto vylepšení je způsobeno pozoruhodným modifikace struktury vyvolaná dopingem Mn: místo neuspořádaného systému nečistot se vytvoří samoorganizovaná střídavá sekvence septuplů MnBi2Te4 a kvintuplních vrstev Bi2Te3. To zvyšuje překrytí vlnové funkce a velikost magnetické mezery. Mn-dotovaný Bi2Se3 a Mn-dotovaný Sb2Te3 tvoří podobné heterostruktury, ale pro Bi2Se3 se vytvoří pouze nemagnetická mezera a magnetizace je v povrchové rovině. To je vysvětleno menší interakcí spin-orbita ve srovnání s Bi2Te3 dotovaným Mn. Naše ukazatele poskytují poznatky, které budou klíčové při prosazování bezeztrátového transportu v topologických izolátorech směrem k aplikacím s teplotou místnosti.