Magneto-transport properties of antiferromagnetic topological insulators MnBi2Te4 and MnBi4Te7
Place : CEA Bat. 10.05 Room 445
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Abstract: The coupling between topological bands and magnetism gives new routes to investigate novel topological quantum states, such as the quantum anomalous Hall effect (QAHE), axion insulators or magnetic Weyl semimetals, and to control them with magnetic textures. In diluted magnetic topological insulators, such as Cr- or V-doped (Bi, Sb)2Te3, the QAHE is however only observed below 1K. Intrinsic magnetic topological insulators (IMTIs) hold further promises to both higher operating temperatures and the control of additional topological states by changing the magnetic order.
In this work, we investigate the magneto-transport properties of van-der-Waals-layered antiferromagnetic topological insulators from the [MnBi2Te4][Bi2Te3]n family, where homogenous 2D ferromagnetic layers with a perpendicular magnetic anisotropy are coupled to each other by an antiferromagnetic exchange interaction, either directly (n = 0) or via non-magnetic spacers (n > 0). A comparative study of MnBi2Te4 (n = 0) and MnBi4Te7 (n = 1) reveals an evolution from the strong to the weak-coupling regime. Whereas MnBi2Te4 is an A-type 3D antiferromagnet, with typical spin-flop transitions at intermediate magnetic fields, MnBi4Te7 behaves as a metamagnet (ensemble of 2D ferromagnets) at low temperature, with ferromagnetic-like properties only driven by the dominant anisotropy and typical spin-flip transitions at low fields. These differences are well captured by a bi-layer Stoner-Wohlfarth model, revealing the importance of the K/J ratio, the relative strength of the magnetic anisotropy K to the interlayer exchange coupling J, in order to describe the different magnetization behaviors. The anisotropy is identified as a key parameter to stabilize the magnetization of intrinsic IMTIs, and the fully-magnetized remanent state of metamagnets below their blocking temperature (TB ~ 5K for MnBi4Te7) suggests a new route to observe the QAHE at higher operating temperatures
Résumé : Le couplage entre les structures de bandes topologiques et le magnétisme offre de nouvelles voies pour générer de nouveaux états quantiques topologiques, tels que l’effet Hall quantique anormal (QAHE), les isolants axioniques ou les semi-métaux de Weyl magnétiques, et pour contrôler les quasi-particules avec la modification des textures magnétiques. Dans les isolants topologiques magnétiques dilués, tels que les systèmes (Bi, Sb)2Te3 dopés Cr- ou V, le QAHE n’est cependant observé qu’en dessous de 1K. Au contraire, les isolants topologiques magnétiques intrinsèques (IMTI), aux propriétés magnétiques plus homogènes, offrent de nouvelles perspectives, à la fois pour augmenter les températures de fonctionnement, mais aussi pour ajouter une symétrie spécifique à l’ordre magnétique pouvant ainsi modifier la topologie des structures de bandes, en plus de la brisure de symétrie introduite par le champ d’échange.
Dans ce travail, nous étudions les propriétés de magnéto-transport d’isolants topologiques antiferromagnétiques de la famille [MnBi2Te4][Bi2Te3]n, des empilements à liaisons van der Waals où des couches ferromagnétiques 2D homogènes avec une anisotropie magnétique perpendiculaire sont couplèes par une interaction d’échange antiferromagnétique, soit directement (n = 0), soit via des espaceurs non-magnétiques (n > 0). Une étude comparative de MnBi2Te4 (n = 0) et MnBi4Te7 (n = 1) révèle une évolution vers le régime de couplage faible dès qu’un plan Bi2Te3 est ajouté à la structure. Alors que MnBi2Te4 est un antiferromagnétique de type A, avec des transitions de spin-flop typiques, MnBi4Te7 présente un comportement métamagnétique à basse température (ensemble de ferromagnétiques 2D), uniquement induit par l’anisotropie dominante et associé à des transitions de spin-flip à champs faibles, avec des propriétés similaires à celles d’une phase ferromagnétique douce. Ces différences sont bien reproduites par un modèle de Stoner-Wohlfarth à deux couches ferromagnétiques à anisotropie perpendiculaire couplées par un champ d’échange, révélant en particulier l’importance du rapport K/J, soit l’amplitude relative de l’anisotropie magnétique K au couplage d’échange inter-couche J, afin de décrire les différents comportements magnétiques. L’anisotropie est un paramètre essentiel pour stabiliser l’aimantation des isolants topologiques magnétiques, avec la possibilité d’obtenir un état rémanent entièrement aimanté en dessous de leur température de blocage (TB ~ 5K pour MnBi4Te7), suggérant ainsi une nouvelle voie pour réaliser le QAHE à des températures de fonctionnement plus élevées, au-delà de 1K.
Jury:
- Prof. Sergio Valenzuela (ICN2, Barcelona) ; Reviewer
- Prof. Thorsten Hesjedal (Physics Dpt, Oxford) ; Reviewer
- Prof. Matthias Vojta (TU, Dresden) ; Examiner
- Prof. Bernd Büchner (IFW, Dresden) ; Examiner
- Prof. David Ferrand (UGA, Grenoble) ; Examiner
- Dr. Laura Thevenard (Sorbonne Univ., Paris) ; Examiner
- Prof. Anna Isaeva (University of Amsterdam) ; Examiner
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Conference ID : 294750
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