ISSLEDOVANIE VZAIMOSVYaZI TOPOLOGIChESKOGO FAZOVOGO PEREKhODA, AKSIONO-PODOBNOGO SOSTOYaNIYa I MAGNITOELEKTRIChESKOGO EFFEKTA V ANTIFERROMAGNITNOM TOPOLOGIChESKOM IZOLYaTORE MnBi2Te4
- Autores: Shikin A.1, Estyunina T.1, Eryzhenkov A.1, Zaytsev N.1, Tarasov A.1
-
Afiliações:
- Edição: Volume 165, Nº 4 (2024)
- Páginas: 544-557
- Seção: Articles
- URL: https://journals.rcsi.science/0044-4510/article/view/258989
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0044451024040096
- ID: 258989
Citar
Resumo
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.
Bibliografia
- X.-L. Qi, T. L. Hughes, and S.-C. Zhang, Phys. Rev. B 78, 195424 (2008).
- X.-L. Qi and S.-C. Zhang, Rev. Mod. Phys. 83, 1057 (2011).
- D. M. Nenno, C. A. C. Garcia, J. Gooth et al., Nature Rev. Phys. 2, 682 (2020).
- A. Sekine and K. Nomura, J. Appl. Phys. 129, 141101 (2021).
- C.-Z. Chang, C.-X. Liu, and A. H. MacDonald, Rev. Mod. Phys. 95, 011002 (2023).
- A. Essin, J. Moore, and D. Vanderbilt, Phys. Rev. Lett. 102, 146805 (2009).
- Y. Zhao and Q. Liu, Appl. Phys. Lett. 119, 060502 (2021).
- R. Li, J. Wang, X.-L. Qi et al., Nature Phys. 6, 284 (2010).
- Y. Xiao, H. Wang, D. Wang et al., Phys. Rev. B 104, 115147 (2021).
- T. Zhu, H. Wang, H. Zhang et al., npj Comput. Mat. 7, 121 (2021).
- H. Wang, D. Wang, Z. Yang et al., Phys. Rev. B 101, 081109 (2020).
- J. Zhang, D. Wang, M. Shi et al., Chinese Phys. Lett. 37, 077304 (2020).
- R. D. Peccei and H. R. Quinn, Phys. Rev. Lett. 38, 1440 (1977).
- F. Wilczek, Phys. Rev. Lett. 58, 1799 (1987).
- N.V. Mikheev and L.A. Vassilevskaya, Phys. Lett. B 410, 203 (1997).
- J. Preskill, M. B. Wise, and F. Wilczek, Phys. Lett. B 120, 127 (1983).
- L. D. Duffy and K. van Bibber, New J. Phys. 11, 105008 (2009).
- F. Chadha-Day, J. Ellis, and D. J. E. Marsh, Sci. Adv. 8, eabj3618 (2022).
- J. Wang, B. Lian, X.-L. Qi, and S.-C. Zhang, Phys. Rev. B 92, 081107 (2015).
- T. Morimoto, A. Furusaki, and N. Nagaosa, Phys. Rev. B 92, 085113 (2015).
- M. Mogi, M. Kawamura, R. Yoshimi et al., Nature Mater. 16, 516 (2017).
- M. Mogi, M. Kawamura, A. Tsukazaki et al., Sci. Adv. 3, eaao1669 (2017).
- M. M. Otrokov, I. I. Klimovskikh, H. Bentmann et al., Nature 576, 416 (2019).
- Z. S. Aliev, I. R. Amiraslanov, D. I. Nasonova et al., J. Alloys Comp. 789, 443 (2019).
- J. Li, Y. Li, S. Du et al., Sci. Adv. 5, eaaw5685 (2019).
- D. Zhang, M. Shi, T. Zhu et al., Phys. Rev. Lett. 122, 206401 (2019).
- Y. Gong, J. Guo, J. Li et al., Chin. Phys. Lett. 36, 076801 (2019).
- D. A. Estyunin, I. I. Klimovskikh, A. M. Shikin et al., APL Mater. 8, 021105 (2020).
- A. M. Shikin, D. A. Estyunin, N. L. Zaitsev et al., Phys. Rev. B 104, 115168 (2021).
- A. M. Shikin, D. A. Estyunin, I. I. Klimovskikh et al., Scient. Rep. 10, 13226 (2020).
- 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)].
- M. Garnica, M. M. Otrokov, P. C. Aguilar et al., npj Quant. Mater. 7, 7 (2022).
- S. V. Eremeev, M. M. Otrokov, A. Ernst et al., Phys. Rev. B 105, 195105 (2022).
- A. M. Shikin, T. P. Makarova, A. V. Eryzhenkov et al., Physica B 649, 414443 (2023).
- Y.-J. Hao, P. Liu, Y. Feng et al., Phys. Rev. X 9, 041038 (2019).
- Y. J. Chen, L. X. Xu, J. H. Li et al., Phys. Rev. X 9, 041040 (2019).
- P. Swatek, Y. Wu, L.-L. Wang et al., Phys. Rev. B 101, 161109 (2020).
- S. V. Eremeev, I. P. Rusinov, Yu. M. Koroteev et al., J. Phys. Chem. Lett. 12, 4268 (2021).
- H. Zhang, W. Yang, Y. Wang et al., Phys. Rev. B 103, 094433 (2021).
- L. Zhou, Z. Tan, D. Yan et al., Phys. Rev. B 102, 085114 (2020).
- A. M. Shikin, T. P. Estyunina, A. V. Eryzhenkov et al., Sci. Rep. 13, 16343 (2023).
- В. А. Волков, В. В. Еналдиев, ЖЭТФ 149, 702 (2016) [V. A. Volkov and V. V. Enaldiev, JETP 122, 608 (2016)].
- T. Imaeda, Y. Kawaguchi, Y. Tanaka et al., J. Phys. Soc. Jpn 88, 024402 (2019).
- M. M. Otrokov, I. P. Rusinov, M. Blanco-Rey et al., Phys. Rev. Lett. 122, 107202 (2019).
- Y. Li, Y. Jiang, J. Zhang et al., Phys. Rev. B 102, 121107 (2020).
- S. Coh, D. Vanderbilt, A. Malashevich et al., Phys. Rev. B 83, 085108 (2011).
- N. P. Armitage and L. Wu, SciPost Phys. 6, 046 (2019).
- G. Rosenberg and M. Franz, Phys. Rev. B 82, 035105 (2010).
- N. Yamamoto, Phys. Rev. D 93, 085036 (2016).
- F. S. Nogueira, Z. Nussinov, and J. van den Brink, Phys. Rev. D 94, 085003 (2016).
- J. Wang, B. Lian, and S.-C. Zhang, Phys. Rev. B 93, 045115 (2016).
- H. Ooguri and M. Oshikawa, Phys. Rev. Lett. 108, 161803 (2012).
- M. Otani and O. Sugino, Phys. Rev. B 73, 115407 (2006).
- N. Troullier and J. Martins, Phys. Rev. B 43, 1993 (1991).
- T. Ozaki, Phys. Rev. B 67, 155108 (2003).
- T. Ozaki and H. Kino, Phys. Rev. B 69, 195113 (2004).
- T. Ozaki and H. Kino, Phys. Rev. B 72, 045121 (2005).
- J. P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996).
- M. J. Han, T. Ozaki, and J. Yu, Phys. Rev. B 73, 045110 (2006).