STUDY OF THE CORRELATION BETWEEN THE TOPOLOGICAL PHASE TRANSITION, AXION-LIKE STATE AND MAGNETOELECTRIC EFFECT IN ANTIFERROMAGNETIC TOPOLOGICAL INSULATOR MnBi2Te4

Capa

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Somente assinantes

Resumo

Density functional theory calculations have been performed to demonstrate the possibility of implementing a topological phase transition (TPT) from topological to trivial state and the connection of this transition with the formation of an axion-like state in an antiferromagnetic topological insulator MnBi2Te4 through analysis of changes in the electronic and spin structures of topological surface states (TSS) and the energy gap value at the Dirac point (DP) when varying the strength of spin-orbit interaction. The analysis showed that this TPT corresponds to the minimum of the energy gap opened at the DP and is characterized by the p+-states of Bi and p--states of Te inversion of with different parity at the edges of the formed energy gap, which corresponds to the sign change of the energy gap in the TPT region between topological and trivial phases. At the transition point, there is an inversion of out-of-plane spin polarization for the states of the lower and upper parts of the Dirac cone and spatial redistribution of states forming TSS between the surface and bulk. The TPT occurs without complete closure of the energy gap with a “jump” through zero and formation of a non-zero energy gap value, which we associate with the formation of an axion-like state caused by the non-trivial interrelation of non-magnetic (spin-orbit) and magnetic interactions at the boundary between topological and trivial phases for a system with parameters close to TPT. A comprehensive representation of such intercoupling in the TPT region is proposed, where the axion term changes between quantized values π and 0, characteristic for topological and trivial phases, leading to their intercoupling in the TPT region and determining the non-zero energy gap at the DP. Application of an electric field perpendicular to the surface of the system in the TPT state leads to changes in electronic and spin structures and transition from topological to trivial state of the system and vice versa when changing the direction of the applied field, demonstrating the possibility of implementing the topological magnetoelectric effect in the TPT region.

Sobre autores

A. Shikin

Saint Petersburg State University

Email: ashikin@inbox.ru
Rússia, 198504, Saint Petersburg

T. Estyunina

Saint Petersburg State University

Email: ashikin@inbox.ru
Rússia, 198504, Saint Petersburg

A. Eryzhenkov

Saint Petersburg State University

Email: ashikin@inbox.ru
Rússia, 198504, Saint Petersburg

N. Zaytsev

Institute of Molecule and Сrystal Physics, Ufa Federal Research Centre of the Russian Academy of Sciences

Email: ashikin@inbox.ru
Rússia, 450075, Ufa

A. Tarasov

Saint Petersburg State University

Autor responsável pela correspondência
Email: ashikin@inbox.ru
Rússia, 198504, Saint Petersburg

Bibliografia

  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).

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar

Declaração de direitos autorais © Russian Academy of Sciences, 2024

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».