Influence of Structural Parameters on the Electronic Structure of Topological Surface States in MnBi2Te4

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Experimental investigations of antiferromagnetic topological insulator MnBi2Te4 have shown that the energy gap in samples may vary in a wide range. Since the energy gap is a key parameter of this system when used in developing new functional electronic devices, the reason for variation of the MnBi2Te4 energy gap at the Dirac point and its possible interrelation with magnetic interactions are matters of great importance and call for thorough analysis. To elucidate factors influencing the energy gap, we analyzed the variation of the electronic structure of the given topological insulator with surface van der Waals gap. Calculation data have shown that the energy gap at such structure modifications may vary in a wide range from 80–88 meV to 4–5 meV because of an intense spatial redistribution of topological surface states between septuple-layer MnBi2Te4 blocks with oppositely directed Mn magnetic moments. Our results suggest that the spatial localization of topological surface states is a primary factor governing the value of the energy gap, this localization being strongly dependent on structure modifications on the crystal surface.

About the authors

T. P Makarova

St. Petersburg State University

Email: i@tmakarova.ru
198504, St. Petersburg, Russia

A. M Shikin

St. Petersburg State University

Email: i@tmakarova.ru
198504, St. Petersburg, Russia

A. V Eryzhenkov

St. Petersburg State University

Email: i@tmakarova.ru
198504, St. Petersburg, Russia

A. V Tarasov

St. Petersburg State University

Author for correspondence.
Email: i@tmakarova.ru
198504, St. Petersburg, Russia

References

  1. X.-Li. 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. C.-Z. Chang, J. Zhang, X. Feng et al., Science 340, 167 (2013).
  4. Y. Tokura, K. Yasuda, and A. Tsukazaki, Nature Rev. Phys. 1, 126 (2019).
  5. C. Z. Chang, W. Zhao, D. Kim et al., Nature Mater. 14, 473 (2015).
  6. M. Gibertini, M. Koperski, A. F. Morpurgo et al., Nature Nanotechn. 14, 408 (2019).
  7. K. Burch, D. Mandrus, and J.-G. Park, Nature 563, 47 (2018).
  8. X. Lin, W. Yang, K. L. Wang et al., Nature Electron. 2, 274 (2019).
  9. T. Jungwirth, X. Marti, P. Wadley et al., Nature Nanotechn. 11, 231 (2016).
  10. L. Sˇmejkal., Y. Mokrousov, B. Yan et al., Nature Phys. 14, 242 (2018).
  11. V. Baltz, A. Manchon, M. Tsoi et al., Rev. Mod. Phys. 90, 015005 (2018).
  12. Y. Deng, Y. Yu, M. Z. Shi et al., Science 367, 895 (2020).
  13. A. Essin, J. Moore, and D. Vanderbilt, Phys. Rev. Lett. 102, 146805 (2009).
  14. S. Coh, D. Vanderbilt, A. Malashevich et al., Phys. Rev. B 83, 085108 (2011).
  15. S.-Y. Xu, M. Neupane, C. Liu et al., Nature Phys. 8, 616 (2012).
  16. Y. L. Chen, J. H. Chu, J. G. Analytis et al. Science 329, 659 (2010).
  17. J. G. Checkelsky, J. Ye, Y. Onose et al., Nature Phys. 8, 729 (2012).
  18. A. M. Shikin, A. A. Rybkina, D. A. Estyunin et al., Phys. Rev. B 97, 245407 (2018).
  19. A. M. Shikin, D. A. Estyunin, Yu. I. Surnin et al., Sci. Rep. 9, 4813 (2019).
  20. J. Henk, A. Ernst, S. V. Eremeev et al., Phys. Rev. Lett. 108, 206801 (2012).
  21. M. M. Otrokov, I. I. Klimovskikh, H. Bentmann et al., Nature 576, 416 (2019).
  22. D. Zhang, M. Shi, T. Zhu et al., Phys. Rev. Lett. 122, 206401 (2019).
  23. J. Li, Y. Li, S. Du et al., Science Advances 5, eaaw5685 (2019).
  24. Y. Gong, J. Guo, J. Li et al., Chin. Phys. Lett. 36, 076801 (2019).
  25. S. H. Lee, Y. Zhu, Y. Wang et al., Phys. Rev. Res. 1, 012011 (2019).
  26. Z. S. Aliev, I. R. Amiraslanov, D. I. Nasonova et al., J. Allows Comp. 789, 443 (2019).
  27. M. M. Otrokov, I. P.Rusinov, M. Blanco-Rey et al., Phys. Rev. Lett. 122, 107202 (2019).
  28. C. Liu, Y. Wang, H. Li et al., Nature Mater. 19, 522 (2020).
  29. J. Ge, Y. Liu, J. Li et al., Nat. Sci. Rev. 7, 1280 (2020).
  30. A. Gao, Y.-F. Liu, C. Hu et al., Nature 595, 52 (2021).
  31. А. М. Шикин, Д. А. Естюнин, Н. Л. Зайцев и др., ЖЭТФ 161, 126 (2022).
  32. D. A. Estyunin, I. I. Klimovskikh, A. M. Shikin et al., Appl. Phys. Lett. Mater. 8, 021105 (2020).
  33. A. M. Shikin, D. A. Estyunin, I. I. Klimovskikh et al., Sci. Rep. 10, 1 (2020).
  34. A. M. Shikin, D. A. Estyunin, N. L. Zaitsev et al., Phys. Rev. B 104, 115168 (2021).
  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. D. Nevola, H. X. Li, J.-Q. Yan et al., Phys. Rev. Lett. 125, 117205 (2020).
  39. C. Yan, S. Fernandez-Mulligan, R. Mei et al., Phys. Rev. B 104, L041102 (2021).
  40. B. A. Bernevig, C. Felser, and H. Beidenkopf, Nature 603, 41 (2022).
  41. M. Garnica, M. M. Otrokov, P. C. Aguilar et al., Quant. Mater. 7, 1 (2022).
  42. А. М. Шикин, Д. А. Естюнин, Д. А. Глазкова и др., Письма ЖЭТФ 115, 241 (2022).
  43. S. Grimme, J. Antony, S. Ehrlich et al., J. Chem. Phys. 132, 154104 (2010).
  44. N. Troullier and J. L. Martins, Phys. Rev. B 43, 1993 (1991).
  45. T. Ozaki, Phys. Rev. B 67, 155108 (2003).
  46. T. Ozaki and H. Kino, Phys. Rev. B 69, 195113 (2004).
  47. T. Ozaki and H. Kino, Phys. Rev. B 72, 045121 (2005).
  48. J. P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996).
  49. M. J. Han, T. Ozaki, and J. Yu, Phys. Rev. B 73, 045110 (2006).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2023 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».