Вышедшие номера
Механизм открытия щели в точке Дирака в электронном спектре Gd-допированного топологического изолятора
Переводная версия: 10.1134/S1063783420020183
Saint Petersburg State University, 40990069
Russian Science Foundation, 18-12-00062
Шикин А.М.1, Естюнин Д.А.1, Королева А.В.1, Глазкова Д.А.1, Макарова Т.П.1, Фильнов С.О.1
1Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия
Email: ashikin@inbox.ru
Поступила в редакцию: 24 сентября 2019 г.
Выставление онлайн: 20 января 2020 г.

Методами фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением проведены исследования электронной структуры в области точки Дирака для магнитно-допированного топологического изолятора Bi1.09Gd0.06Sb0.85Te3 при различных температурах (выше и ниже температуры Нееля, 1-35 K) и поляризациях синхротронного излучения. Показано наличие энергетической щели в точке Дирака, формируемой в фотоэмиссионных спектрах, которая остается открытой выше температуры дальнодействующего магнитного упорядочения, TH. Измерения магнитных свойств методом сверхпроводящей магнитометрии показали антиферромагнитное упорядочение с температурой перехода в парамагнитную фазу, равной 8.3 K. Исследования температурной зависимости интенсивности состояний конуса Дирака методом фотоэлектронной спектроскопии подтвердили наличие магнитного перехода и показали возможность его индикции непосредственно из фотоэмиссионных спектров. Более детальный анализ величины расщепления между состояниями верхнего и нижнего конусов Дирака (т. е. величины энергетической щели) в точке Дирака в фотоэлектронных спектрах показал зависимость щели в точке Дирака от типа поляризации синхротронного излучения (28-30 meV для p-поляризации и 22-25 meV для циркулярно-поляризованного излучения противоположной хиральности). В работе предложен механизм открытия щели в точке Дирака выше TH вследствие спаривания" дираковских фермионов с противоположным импульсом и спиновой ориентацией в результате их взаимодействия со спиновой текстурой, формируемой непосредственно в процессе фотоэмиссии в области фотоэмиссионной дырки на атоме магнитной примеси (Gd). Было показано, что щель в точке Дирака, измеряемая выше TH является динамической и формируется непосредственно в процессе фотоэмиссии. При этом природа щели остается магнитной (даже при отсутствии дальнодействующего магнитного упорядочения) и обусловлена свойствами магнитного топологического изолятора, что и определяет практически неизменность величины щели при переходе через TH. Подтверждением динамического характера генерируемой щели является зависимость ее величины от поляризации синхротронного излучения. Ключевые слова: антиферромагнитный топологический изолятор, фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением, фотоиндуцированная намагниченность.
  1. J. Wang, B.Lian, X.-L. Qi, S.-C. Zhang, Phys. Rev. B 92, 081107(R) (2015)
  2. Y.L. Chen, J.-H. Chu, J.G. Analytis, Z.K. Liu, K. Igarashi, H.-H. Kuo, X.L. Qi, S.K. Mo, R.G. Moore, D.H. Lu, M. Hashimoto, T. Sasagawa, S.C. Zhang, I.R. Fisher, Z. Hussain, Z.X. Shen. Science 329, 659 (2010)
  3. C.-Z. Chang, J. Zhang, X. Feng, J. Shen, Z. Zhang, M. Guo, K. Li, Y. Ou, P. Wei, L.-L. Wang, Z.-Q. Ji, Y. Feng, S. Ji, X. Chen, J. Jia, X. Dai, Z. Fang, S.-C. Zhang, K. He, Y. Wang, L. Lu, X.-C. Ma, Q.-K. Xue. Science 340, 167 (2013)
  4. C.-Z. Chang, W. Zhao, D.Y. Kim, H. Zhang, B.A. Assaf, D. Heiman, S.-C. Zhang, C. Liu, M.H.W. Chan, J.S. Moodera. Nature Mater. 14, 473 (2015)
  5. J. Kim, E.-H. Shin, M.K. Sharma, K. Ihm, O. Dugerjav, C. Hwang, H. Lee, K.-T. Ko, J.-H. Park, M. Kim, H. Kim, M.-H. Jung. Sci. Rep. 9, 1331 (2019)
  6. S.-R. Jian, P.H. Le, C.-W. Luo, J.-Y. Juang. J. Appl. Phys. 121, 175302 (2017)
  7. A.M. Shikin, D.A. Estyunin, Yu.I. Surnin, A.V. Koroleva, E.V. Shevchenko, K.A. Kokh, O.E. Tereshchenko, S. Kumar, E.F. Schwier, K. Shimada, T. Yoshikawa, Y. Saitoh, Y. Takeda, A. Kimura. Sci. Rep. 9, 4813 (2019)
  8. С.О. Фильнов, Ю.А. Сурнин, А.В. Королева, И.И. Климовских, Д.А. Естюнин, А.Ю. Варыхалов, К.А. Бокай, К.А. Кох, О.Е. Терещенко, В.А. Голяшов, Е.В. Шевченко, А.М. Шикин. ЖЭТФ 3, 483, (2019)
  9. M.M. Otrokov, I.I. Klimovskikh, H. Bentmann, A. Zeugner, Z.S. Aliev, S. Gass, A.U.B. Wolter, A.V. Koroleva, D.А. Estyunin, A.M. Shikin, M. Blanco-Rey, M. Hoffmann, A.Yu. Vyazovskaya, S.V. Eremeev, Y.M. Koroteev, I.R. Amiraslanov, M.B. Babanly, N.T. Mamedov, N.A. Abdullayev, V.N. Zverev, B. Buchner, E.F. Schwier, S. Kumar, A. Kimura, L. Petaccia, G. Di Santo, R.C. Vidal, S. Schatz, K.Kib ner, C.-H. Min, S.K. Moser, T.R.F. Peixoto, F. Reinert, A. Ernst, P.M. Echenique, A. Isaeva, E.V. Chulkov. ArXiv: 1809, 07389 (2018)
  10. D. Zhang, M. Shi, T. Zhu, D. Xing, H. Zhang, J. Wang. Phys. Rev. Lett. 122, 206401 (2019)
  11. S.H. Lee, Y. Zhu, Y. Wang, L. Miao, T. Pillsbury, S. Kempinger, D. Graf, N. Alem, C.-Z. Chang, N. Samarth, Z. Mao. ArXiv:1812.00339 (2019)
  12. S.-Y. Xu, M. Neupane, C. Liu, D. Zhang, A. Richardella, L.A. Wray, N. Alidoust, M. Leandersson, T. Balasubramanian, J. Sanchez-Barriga, O. Rader, G. Landolt, B. Slomski, J.H. Dil, J. Osterwalder, T-R. Chang, H-T. Jeng, H. Lin, A. Bansil, N. Samarth, M.Z. Hasan. Nature Phys. 8, 616 (2012)
  13. Y.L. Chen, J.-H. Chu, J.G. Analytis, Z.K. Liu, K. Igarashi, H.-H. Kuo, X.L. Qi, S.K. Mo, R.G. Moore, D.H. Lu, M. Hashimoto, T. Sasagawa, S.C. Zhang, I.R. Fisher, Z. Hussain, Z.X. Shen. Science 329, 659 (2010)
  14. A.M. Shikin, A.A. Rybkina, D.A. Estyunin, D.M. Sostina, I.I. Klimovskikh, V.Yu. Voroshnin, A.G. Rybkin, K.A. Kokh, O.E. Tereshchenko, L. Petaccia, G. Di Santo, A. Kimura, P.N. Skirdkov, K.A. Zvezdin, A.K. Zvezdin. Sci. Rep. 8, 6544 (2018)
  15. A.M. Shikin, A.A. Rybkina, D.A. Estyunin, D.M. Sostina, V.Yu. Voroshnin, I.I. Klimovskikh, A.G. Rybkin, Yu.A. Surnin, K.A. Kokh, O.E. Tereshchenko, L. Petaccia, G. Di Santo, P.N. Skirdkov, K.A. Zvezdin, A.K. Zvezdin, A. Kimura, E.V. Chulkov, E.E. Krasovskii. Phys. Rev. B 97, 245407 (2018)
  16. A.M. Shikin, A.A. Rybkina, I.I. Klimovskikh, M.V. Filianina, K.A. Kokh, O.E. Tereshchenko, P.N. Skirdkov, K.A. Zvezdin, A.K. Zvezdin, Appl. Phys. Lett. 109, 222404 (2016)
  17. J. Sanchez-Barriga, A. Varykhalov, G. Springholz, H. Steiner, R. Kirchschlager, G. Bauer, O. Caha, E. Schierle, E. Weschke, A.A. Unal, S. Valencia, M. Dunst, J. Braun, H. Ebert, J. Minar, E. Golias, L.V. Yashina, A. Ney, V. Holy, O. Rader. Nature Commun. 7, 10559 (2015)
  18. A.M. Black-Schaffer, A.V. Balatsky, J. Fransson. Phys. Rev. B 91, 201411(R) (2015)
  19. Y. Xu, J. Chiu, L. Miao, H. He, Z. Alpichshev, A. Kapitulnik, R.R. Biswas, L. Andrew Wray. Nature Commun. 8, 14081 (2016)
  20. G. Rosenberg, M. Franz. Phys. Rev. B 85, 195119 (2012)
  21. C.-Z. Chang, M. Li. J. Phys.: Condens. Matter 28, 123002 (2016)
  22. M.G. Vergniory, M.M. Otrokov, D. Thonig, M. Hoffmann, I.V. Maznichenko, M. Geilhufe, X. Zubizarreta, S. Ostanin, A. Marmodoro, J. Henk, W. Hergert, I. Mertig, E.V. Chulkov, A. Ernst. Phys. Rev. B 89, 165202 (2014)
  23. M. Bode, M. Getzlaff, A. Kubetzka, R. Pascal, O. Pietzsch, R. Wiesendanger. Phys. Rev. Lett. 83, 3017 (1999)
  24. A.V. Fedorov, K. Starke, G. Kaindl, Phys. Rev. B 50, 2739 (1994)
  25. A. Chikina, M. Hoeppner, S. Seiro, K. Kummer, S. Danzenbaecher, S. Patil, A. Generalov, M. Guettler, Yu. Kucherenko, E.V. Chulkov, Yu.M. Koroteev, K. Koepernik, C. Geibel, M. Shi, M. Radovic, C. Laubschat, D.V. Vyalikh. Nature Commun. 5, 3171 (2014)
  26. A.S. Nunez, J. Fernandez-Rossier. Solid State Commun., 152, 403 (2012)
  27. D. Andrikopoulos, B. Soree, J.D. Boeck. J. Appl. Phys. 119, 193903 (2016)
  28. F. Loder, A.P. Kampf, T. Kopp, D. Braak. Phys. Rev. B 96, 024508 (2017)
  29. S. Lounis, A. Bringer, S. Bluеgel, Phys. Rev. Lett. 108, 207202 (2012)
  30. Q. Liu, C.-X. Liu, C. Xu, X.-L. Qi, S.-C. Zhang. Phys. Rev. Lett. 102, 156603 (2009)
  31. L. Andrew Wray, Su-Yang Xu, Yuqi Xia, Yew San Hor, Dong Qian, Alexei V. Fedorov, Hsin Lin, Arun Bansil, Robert J. Cava\&M. Zahid Hasan, Nature Phys. 6, 855 (2010)
  32. G. Du, J. Shao, X. Yang, Z. Du, D. Fang, J. Wang, K. Ran, J. Wen, C. Zhang, H. Yang, Y. Zhang, H-H. Wen. Nature Commun. 8, 14466 (2016)
  33. E. Wang, H. Ding, A.V. Fedorov, W. Yao, Z. Li, Y.-F. Lv, K. Zhao, L.-G. Zhang, Z. Xu, J. Schneeloch, R. Zhong, S.-H. Ji, L. Wang, K. He, X. Ma, G. Gu, H. Yao, Q.-K. Xue, X. Chen, S. Zhou. Nature Phys. 9, 621 (2013)
  34. S.-Y. Xu, N. Alidoust, I. Belopolski, A. Richardella, C. Liu, M. Neupane, G. Bian, S-H. Huang, R. Sankar, C. Fang, B. Dellabetta, W. Dai, Q. Li, M.J. Gilbert, F. Chou, N. Samarth, M.Z. Hasan. Nature Phys. 10, 943 (2014).
  35. P. Zhang, K. Yaji, T. Hashimoto, Y. Ota, T. Kondo, K. Okazaki, Z. Wang, J. Wen, G.D. Gu, H. Ding, S. Shin. Sci. 360, 182 (2018)
  36. T. Sato, Kouji Segawa, K. Kosaka, S. Souma, K. Nakayama, K. Eto, T. Minami, Yoichi Ando \& T. Takahashi. Nature Phys. 7, 840 (2011)
  37. I. Lee, C.K. Kim, J. Lee, S.J.L. Billinge, R. Zhong, J.A. Schneeloch, T. Liu, T. Valla, J.M. Tranquada, G. Gu, J.C. Seamus Davis. PNAS 112, 1316 (2015).

Подсчитывается количество просмотров абстрактов ("html" на диаграммах) и полных версий статей ("pdf"). Просмотры с одинаковых IP-адресов засчитываются, если происходят с интервалом не менее 2-х часов.

Дата начала обработки статистических данных - 27 января 2016 г.