ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ТОПОЛОГИЧЕСКОГО ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА, АКСИОНО-ПОДОБНОГО СОСТОЯНИЯ И МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В АНТИФЕРРОМАГНИТНОМ ТОПОЛОГИЧЕСКОМ ИЗОЛЯТОРЕ MnBi2Te4

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Методом теории функционала плотности проведены расчеты, показывающие возможность реализации топологического фазового перехода (ТФП) из топологического в тривиальное состояние и связи данного перехода с формированием аксионо-подобного состояния в антиферромагнитном топологическом изоляторе MnBi2Te4 путем анализа изменений электронной и спиновой структур топологических поверхностных состояний (ТПС) и величины энергетической запрещенной зоны (ЭЗЗ) в точке Дирака при вариации величины спин-орбитального взаимодействия. Анализ показал, что данный ТФП соответствует минимуму ЭЗЗ, открываемой в точке Дирака, и характеризуется инверсией p− z -состояний Te и p+ z -состояний Bi с различной четностью на краях формируемой ЭЗЗ, что соответствует изменению знака ЭЗЗ области ТФП между топологической и тривиальной фазами. В точке перехода имеют место инверсия внеплоскостной спиновой поляризации для состояний нижней и верхней частей конуса Дирака и пространственное перераспределение состояний, формирующих ТПС между поверхностью и объемом. При этом ТФП происходит без полного закрытия ЭЗЗ с «перескоком» через нуль и образованием ненулевой ЭЗЗ, что мы связываем с образованием аксионо-подобного состояния, которое обусловлено нетривиальной взаимосвязью немагнитного (спин-орбитального) и магнитного взаимодействий на границе между топологической и тривиальной фазами для системы с параметрами, близкими к ТФП. Предложено комплексное представление такой взаимосвязи в области ТФП, когда аксионный член изменяется между квантованными значениями π и 0, характерными для топологической и тривиальной фаз, что приводит к их взаимосвязи в области ТФП и определяет ненулевую ЭЗЗ в точке Дирака. Приложение электрического поля перпендикулярно поверхности к системе, находящейся в состоянии ТФП, приводит к изменению электронной и спиновой структур и переходу из топологического в тривиальное состояние системы и наоборот при смене направленности приложенного поля и показывает возможность реализации топологического магнитоэлектрического эффекта в области ТФП.

Об авторах

А. М. Шикин

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: ashikin@inbox.ru
Санкт-Петербург, Россия

Т. П. Естюнина

Санкт-Петербургский государственный университет

Санкт-Петербург, Россия

А. В. Ерыженков

Санкт-Петербургский государственный университет

Санкт-Петербург, Россия

Н. Л. Зайцев

Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наук

Уфа, Россия

А. В. Тарасов

Санкт-Петербургский государственный университет

Санкт-Петербург, Россия

Список литературы

  1. X.-L. Qi, T. L. Hughes, and S.-C. Zhang, Phys. Rev. B 78, 195424 (2008).
  2. X.-L. Qi and S.-C. Zhang, Rev. Mod. Phys. 83, 1057 (2011).
  3. D. M. Nenno, C. A. C. Garcia, J. Gooth et al., Nature Rev. Phys. 2, 682 (2020).
  4. A. Sekine and K. Nomura, J. Appl. Phys. 129, 141101 (2021).
  5. C.-Z. Chang, C.-X. Liu, and A. H. MacDonald, Rev. Mod. Phys. 95, 011002 (2023).
  6. A. Essin, J. Moore, and D. Vanderbilt, Phys. Rev. Lett. 102, 146805 (2009).
  7. Y. Zhao and Q. Liu, Appl. Phys. Lett. 119, 060502 (2021).
  8. R. Li, J. Wang, X.-L. Qi et al., Nature Phys. 6, 284 (2010).
  9. Y. Xiao, H. Wang, D. Wang et al., Phys. Rev. B 104, 115147 (2021).
  10. T. Zhu, H. Wang, H. Zhang et al., npj Comput. Mat. 7, 121 (2021).
  11. H. Wang, D. Wang, Z. Yang et al., Phys. Rev. B 101, 081109 (2020).
  12. J. Zhang, D. Wang, M. Shi et al., Chinese Phys. Lett. 37, 077304 (2020).
  13. R. D. Peccei and H. R. Quinn, Phys. Rev. Lett. 38, 1440 (1977).
  14. F. Wilczek, Phys. Rev. Lett. 58, 1799 (1987).
  15. N.V. Mikheev and L.A. Vassilevskaya, Phys. Lett. B 410, 203 (1997).
  16. J. Preskill, M. B. Wise, and F. Wilczek, Phys. Lett. B 120, 127 (1983).
  17. L. D. Duffy and K. van Bibber, New J. Phys. 11, 105008 (2009).
  18. F. Chadha-Day, J. Ellis, and D. J. E. Marsh, Sci. Adv. 8, eabj3618 (2022).
  19. J. Wang, B. Lian, X.-L. Qi, and S.-C. Zhang, Phys. Rev. B 92, 081107 (2015).
  20. T. Morimoto, A. Furusaki, and N. Nagaosa, Phys. Rev. B 92, 085113 (2015).
  21. M. Mogi, M. Kawamura, R. Yoshimi et al., Nature Mater. 16, 516 (2017).
  22. M. Mogi, M. Kawamura, A. Tsukazaki et al., Sci. Adv. 3, eaao1669 (2017).
  23. M. M. Otrokov, I. I. Klimovskikh, H. Bentmann et al., Nature 576, 416 (2019).
  24. Z. S. Aliev, I. R. Amiraslanov, D. I. Nasonova et al., J. Alloys Comp. 789, 443 (2019).
  25. J. Li, Y. Li, S. Du et al., Sci. Adv. 5, eaaw5685 (2019).
  26. D. Zhang, M. Shi, T. Zhu et al., Phys. Rev. Lett. 122, 206401 (2019).
  27. Y. Gong, J. Guo, J. Li et al., Chin. Phys. Lett. 36, 076801 (2019).
  28. D. A. Estyunin, I. I. Klimovskikh, A. M. Shikin et al., APL Mater. 8, 021105 (2020).
  29. A. M. Shikin, D. A. Estyunin, N. L. Zaitsev et al., Phys. Rev. B 104, 115168 (2021).
  30. A. M. Shikin, D. A. Estyunin, I. I. Klimovskikh et al., Scient. Rep. 10, 13226 (2020).
  31. А. М. Шикин, Д. А. Естюнин, Н. Л. Зайцев и др., ЖЭТФ 161, 126 (2022) [A. M. Shikin, D. A. Estyunin, N. L. Zaitsev et al., JETP 134, 103 (2022)].
  32. M. Garnica, M. M. Otrokov, P. C. Aguilar et al., npj Quant. Mater. 7, 7 (2022).
  33. S. V. Eremeev, M. M. Otrokov, A. Ernst et al., Phys. Rev. B 105, 195105 (2022).
  34. A. M. Shikin, T. P. Makarova, A. V. Eryzhenkov et al., Physica B 649, 414443 (2023).
  35. Y.-J. Hao, P. Liu, Y. Feng et al., Phys. Rev. X 9, 041038 (2019).
  36. Y. J. Chen, L. X. Xu, J. H. Li et al., Phys. Rev. X 9, 041040 (2019).
  37. P. Swatek, Y. Wu, L.-L. Wang et al., Phys. Rev. B 101, 161109 (2020).
  38. S. V. Eremeev, I. P. Rusinov, Yu. M. Koroteev et al., J. Phys. Chem. Lett. 12, 4268 (2021).
  39. H. Zhang, W. Yang, Y. Wang et al., Phys. Rev. B 103, 094433 (2021).
  40. L. Zhou, Z. Tan, D. Yan et al., Phys. Rev. B 102, 085114 (2020).
  41. A. M. Shikin, T. P. Estyunina, A. V. Eryzhenkov et al., Sci. Rep. 13, 16343 (2023).
  42. В. А. Волков, В. В. Еналдиев, ЖЭТФ 149, 702 (2016) [V. A. Volkov and V. V. Enaldiev, JETP 122, 608 (2016)].
  43. T. Imaeda, Y. Kawaguchi, Y. Tanaka et al., J. Phys. Soc. Jpn 88, 024402 (2019).
  44. M. M. Otrokov, I. P. Rusinov, M. Blanco-Rey et al., Phys. Rev. Lett. 122, 107202 (2019).
  45. Y. Li, Y. Jiang, J. Zhang et al., Phys. Rev. B 102, 121107 (2020).
  46. S. Coh, D. Vanderbilt, A. Malashevich et al., Phys. Rev. B 83, 085108 (2011).
  47. N. P. Armitage and L. Wu, SciPost Phys. 6, 046 (2019).
  48. G. Rosenberg and M. Franz, Phys. Rev. B 82, 035105 (2010).
  49. N. Yamamoto, Phys. Rev. D 93, 085036 (2016).
  50. F. S. Nogueira, Z. Nussinov, and J. van den Brink, Phys. Rev. D 94, 085003 (2016).
  51. J. Wang, B. Lian, and S.-C. Zhang, Phys. Rev. B 93, 045115 (2016).
  52. H. Ooguri and M. Oshikawa, Phys. Rev. Lett. 108, 161803 (2012).
  53. M. Otani and O. Sugino, Phys. Rev. B 73, 115407 (2006).
  54. N. Troullier and J. Martins, Phys. Rev. B 43, 1993 (1991).
  55. T. Ozaki, Phys. Rev. B 67, 155108 (2003).
  56. T. Ozaki and H. Kino, Phys. Rev. B 69, 195113 (2004).
  57. T. Ozaki and H. Kino, Phys. Rev. B 72, 045121 (2005).
  58. J. P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996).
  59. M. J. Han, T. Ozaki, and J. Yu, Phys. Rev. B 73, 045110 (2006).

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2024