物性物理学：スピンフリップおよびスピンフロップ下での反強磁性量子異常ホール効果

MnBi₂Te₄における非自明なバンドトポロジーと層状反強磁性の相互関連は、物質のトポロジカル相を探索する新しい道を開いた。量子異常ホール効果とアクシオン絶縁体状態がMnBi₂Te₄の奇数層と偶数層で観測されており、量子計量非線形ホール効果がこのトポロジカル反強磁性体に存在することが示されている。MnBi₂Te₄における豊かで複雑な反強磁性スピンダイナミクスは、従来の強磁性トポロジカル絶縁体には存在しない新しい量子異常ホール現象を生成すると期待されているが、実験的な観測はまだ知られていない。今回我々は、AlO_xキャップ層をかぶせた7層MnBi₂Te₄デバイスを作製し、これによって広いパラメーター空間にわたり反強磁性量子異常ホール効果を調べることが可能になった。我々は、ゲート電圧と垂直磁場を調整することによって、複雑なスピン配置がエッジ状態輸送に及ぼす影響に帰すことのできる量子相転移のカスケードを明らかにした。さらに、面内磁場が表面状態の保磁力と交換ギャップを増大させることも見いだしており、これは強磁性量子異常ホール状態の場合とは対照的である。我々は、数値シミュレーションと組み合わせることによって、これらの特異な特徴が、ファンデルワールス反強磁性体に固有であるスピンフリップ転移とスピンフロップ転移から生じると提唱する。MnBi₂Te₄における量子異常ホール効果の多様な調整可能性によって、トポロジカル反強磁性スピントロニクスへの応用の可能性の道が開かれる。

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