Vanadium-Containing Planar Heterostructures Based on Topological Insulators

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Vanadium-containing heterostructures consisting of an ultrathin magnetic film on the surface of a nonmagnetic topological insulator have been studied theoretically. A method has been demonstrated to control the Dirac point shift in the k space, which is a length measure of an exotic flat band appearing upon the formation of domain walls on the surface of antiferromagnetic topological insulator. The Dirac point shift is inversely proportional to the group velocity of electrons at the Dirac point and is proportional to the degree of localization of the topological state in the magnetic film. The shift is controlled by selecting a substrate with a certain work function. Particular systems have been proposed for the experimental study of flat band features in antiferromagnetic topological insulators.

About the authors

E. K. Petrov

National Research Tomsk State University; St. Petersburg State University

Email: evg.konst.petrov@gmail.com
634050, Tomsk, Russia; 198504, St. Petersburg, Russia

I. V. Silkin

National Research Tomsk State University

Email: evg.konst.petrov@gmail.com
634050, Tomsk, Russia

V. M. Kuznetsov

National Research Tomsk State University

Email: evg.konst.petrov@gmail.com
634050, Tomsk, Russia

T. V. Men'shchikova

National Research Tomsk State University

Email: evg.konst.petrov@gmail.com
634050, Tomsk, Russia

E. V Chulkov

National Research Tomsk State University; St. Petersburg State University; Departamento de Polimeros y Materiales Avanzados: Fisica, Quimica y Tecnologia, Facultad de Ciencias Quimicas, Universidad del Pais Vasco UPV/EHU

Author for correspondence.
Email: evg.konst.petrov@gmail.com
634050, Tomsk, Russia; 198504, St. Petersburg, Russia; 20080, San Sebastian/Donostia, Basque Country, Spain

References

  1. R.Yu,W. Zhang, H.-J. Zhang, S.-C. Zhang, X. Dai, and Z. Fang, Science 329, 61 (2010).
  2. 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, and Q.-K. Xue, Science 340, 167 (2013).
  3. T. Hirahara, S.V. Eremeev, T. Shirasawa et al. (Collaboration), Nano Lett. 17, 3493 (2017).
  4. M.M. Otrokov, T.V. Menshchikova, M.G. Vergniory, I.P. Rusinov, A.Yu. Vyazovskaya, Y.M. Koroteev, G. Bihlmayer, A. Ernst, P.M. Echenique, A. Arnau, and E.V. Chulkov, 2D Materials 4, 025082 (2017).
  5. M.M. Otrokov, I.P. Rusinov, M. Blanco-Rey, M. Hoffmann, A.Y. Vyazovskaya, S.V. Eremeev, A. Ernst, P.M. Echenique, A. Arnau, and E.V. Chulkov, Phys. Rev. Lett. 122, 107202 (2019).
  6. Y. Deng, Y.Yu, M. Z. Shi, Z. Guo, Z. Xu, J. Wang, X. H. Chen, and Y. Zhang, Science 67, 895 (2020).
  7. H. Deng, Z. Chen, A. Wo lo's, M. Konczykowski, K. Sobczak, J. Sitnicka, I.V. Fedorchenko, J. Borysiuk, T. Heider, L. Pluci'nski, K. Park, A.B. Georgescu, J. Cano, and L. Krusin-Elbaum, Nature Physics 17, 36 (2021).
  8. V.N. Men'shov, I. Shvets, and E.V. Chulkov, JETP Lett. 110(12), 771 (2019).
  9. E.K. Petrov, I.V. Silkin, T.V. Menshchikova, and E.V. Chulkov, JETP Lett. 109, 121 (2019).
  10. J. Wang, B. Lian, X.-L. Qi, and S.-C. Zhang, Phys. Rev. B 92, 081107 (2015).
  11. D. Zhang, M. Shi, T. Zhu, D. Xing, H. Zhang, and J. Wang, Phys. Rev. Lett. 122, 206401 (2019).
  12. M.M. Otrokov, I. I. Klimovskikh, H. Bentmann et al. (Collaboration), Nature 576, 416 (2019).
  13. R. S.K. Mong, A.M. Essin, and J. E. Moore, Phys. Rev. B 81, 245209 (2010).
  14. C. Liu, Y. Wang, H. Li, Y. Wu, Y. Li, J. Li, K. He, Y. Xu, J. Zhang, and Y. Wang, Nat. Mater. 19, 522 (2020).
  15. J. Wang, B. Lian, and S.-C. Zhang, Phys. Rev. B 93, 045115 (2016).
  16. S.V. Eremeev, I.P. Rusinov, Y.M. Koroteev, A.Y. Vyazovskaya, M. Hoffmann, P.M. Echenique, A. Ernst, M.M. Otrokov, and E.V. Chulkov, J. Phys. Chem. Lett. 12, 4268 (2021).
  17. E.K. Petrov, V.N. Men'shov, I.P. Rusinov, M. Hoffmann, A. Ernst, M.M. Otrokov, V.K. Dugaev, T.V. Menshchikova, and E.V. Chulkov, Phys. Rev. B 103, 235142 (2021).
  18. J. Ge, Y. Liu, J. Li, H. Li, T. Luo, Y. Wu, Y. Xu, and J. Wang, National Science Review 7, 1280 (2020).
  19. Y. Gong, J. Guo, J. Li et al. (Collaboration), Chin. Phys. Lett. 36, 076801 (2019).
  20. A.M. Shikin, D.A. Estyunin, I. I. Klimovskikh et al. (Collaboration), Sci. Rep. 10, 13226 (2020).
  21. B. Li, J.-Q. Yan, D.M. Pajerowski, E. Gordon, A.-M. Nedi'c, Y. Sizyuk, L. Ke, P.P. Orth, D. Vaknin, and R. J. McQueeney, Phys. Rev. Lett. 124, 167204 (2020).
  22. D.A. Estyunin, I. I. Klimovskikh, A.M. Shikin, E. F. Schwier, M.M. Otrokov, A. Kimura, S. Kumar, S.O. Filnov, Z. S. Aliev, M. B. Babanly, and E.V. Chulkov, APL Mater. 8, 021105 (2020).
  23. R.C. Vidal, H. Bentmann, T.R. F. Peixoto et al. (Collaboration), Phys. Rev. B 100, 121104 (2019).
  24. J.-Q. Yan, Q. Zhang, T. Heitmann, Z. Huang, K.Y. Chen, J.-G. Cheng,W.Wu, D. Vaknin, B.C. Sales, and R. J. McQueeney, Physical Review Materials 3, 064202 (2019).
  25. S.H. Lee, Y. Zhu, Y.Wang, L. Miao, T. Pillsbury, H. Yi, S. Kempinger, J. Hu, C.A. Heikes, P. Quarterman, W. Ratcliff, J. A. Borchers, H. Zhang, X. Ke, D. Graf, N. Alem, C.-Z. Chang, N. Samarth, and Z. Mao, Physical Review Research 1, 012011 (2019).
  26. P.M. Sass, W. Ge, J. Yan, D. Obeysekera, J. J. Yang, and W. Wu, Nano Lett. 20, 2609 (2020).
  27. K. F. Garrity, S. Chowdhury, and F.M. Tavazza, Physical Review Materials 5, 024207 (2021).
  28. P. Swatek, Y. Wu, L.-L. Wang, K. Lee, B. Schrunk, J. Yan, and A. Kaminski, Phys. Rev. B 101, 161109 (2020).
  29. P.M. Sass, J. Kim, D. Vanderbilt, J. Yan, and W. Wu, Phys. Rev. Lett. 125, 037201 (2020).
  30. A. Zeugner, F. Nietschke, A.U.B. Wolter et al. (Collaboration), Chem. Mater. 31, 2795 (2019).
  31. H. Li, S.-Y. Gao, S.-F. Duan et al. (Collaboration), Phys. Rev. X 9, (2019).
  32. Y.-J. Hao, P. Liu, Y. Feng et al. (Collaboration), Phys. Rev. X 9, 041038 (2019).
  33. Y. J. Chen, L.X. Xu, J.H. Li et al. (Collaboration), Phys. Rev. X 9, 041040 (2019).
  34. B. Lian, Z. Liu, Y. Zhang, and J. Wang, Phys. Rev. Lett. 124, 126402 (2020).
  35. T. Hirahara, M.M. Otrokov, T.T. Sasaki et al. (Collaboration), Nat. Commun. 11, 4821 (2020).
  36. E.D. L. Rienks, S. Wimmer, J. S'anchez-Barriga et al. (Collaboration), Nature 576, 423 (2019).
  37. Z. S. Aliev, I.R. Amiraslanov, D. I. Nasonova, A.V. Shevelkov, N.A. Abdullayev, Z.A. Jahangirli, E.N. Orujlu, M.M. Otrokov, N.T. Mamedov, M.B. Babanly, and E.V. Chulkov, J. Alloys Compd. 789, 443 (2019).
  38. C. Hu, K.N. Gordon, P. Liu et al. (Collaboration), Nat. Commun. 11, 97 (2020).
  39. Y. Gao, K. Liu, and Z.-Y. Lu, Physical Review Research 4, 023030 (2022).
  40. C. Hu, L. Ding, K.N. Gordon et al. (Collaboration), Sci. Adv. 6, eaba4275 (2020).
  41. K. Yasuda, M. Mogi, R. Yoshimi, A. Tsukazaki, K. S. Takahashi, M. Kawasaki, F. Kagawa, and Y. Tokura, Science 358, 1311 (2017).
  42. I.T. Rosen, E. J. Fox, X. Kou, L. Pan, K. L. Wang, and D. Goldhaber-Gordon, Quantum Mater. 2, 69 (2017).
  43. I.P. Rusinov, V.N. Men'shov, and E.V. Chulkov, Phys. Rev. B 104, 035411 (2021).
  44. V.N. Men'shov, I.P. Rusinov, and E.V. Chulkov, JETP Lett. 114, 699 (2021).
  45. K. Kim, A. DaSilva, S. Huang, B. Fallahazad, S. Larentis, T. Taniguchi, K. Watanabe, B. J. LeRoy, A.H. MacDonald, and E. Tutuc, Proceedings of the National Academy of Sciences 114(13), 3364 (2017).
  46. A.L. Sharpe, E. J. Fox, A.W. Barnard, J. Finney, K. Watanabe, T. Taniguchi, M. Kastner, and D. Goldhaber-Gordon, Science 365(6453), 605 (2019).
  47. H. Yoo, R. Engelke, S. Carr et al. (Collaboration), Nat. Mater. 18(5), 448 (2019).
  48. T.Wolf, J. L. Lado, G. Blatter, and O. Zilberberg, Phys. Rev. Lett. 123(9), 096802 (2019).
  49. X. Lu, P. Stepanov, W. Yang, M. Xie, M.A. Aamir, I. Das, C. Urgell, K.Watanabe, T. Taniguchi, G. Zhang, A. Bachtold, A.H. MacDonald, and D.K. Efetov, Nature 574, 653 (2019).
  50. Y. Cao, V. Fatemi, A. Demir, S. Fang, S. L. Tomarken, J.Y. Luo, J.D. Sanchez-Yamagishi, K. Watanabe, T. Taniguchi, E. Kaxiras, R.C. Ashoori, and P. Jarillo-Herrero, Nature 556, 80 (2018).
  51. M. Yankowitz, S. Chen, H. Polshyn, Y. Zhang, K. Watanabe, T. Taniguchi, D. Graf, A. F. Young, and C.R. Dean, Science 363, 1059 (2019).
  52. Y. Cao, V. Fatemi, S. Fang, K.Watanabe, T. Taniguchi, E. Kaxiras, and P. Jarillo-Herrero, Nature 556, 43 (2018).
  53. L. Fu and C. L. Kane, Phys. Rev. Lett. 100, 096407 (2008).
  54. V. S. Stolyarov, S. Pons, S. Vlaic, S.V. Remizov, D. S. Shapiro, C. Brun, S. I. Bozhko, T. Cren, T.V. Menshchikova, E.V. Chulkov, W.V. Pogosov, Y.E. Lozovik, and D. Roditchev, J. Phys. Chem. Lett. 12, 9068 (2021).
  55. A. Kudriashov, I. Babich, R.A. Hovhannisyan, A.G. Shishkin, S.N. Kozlov, A. Fedorov, D.V. Vyalikh, E. Khestanova, M.Y. Kupriyanov, and V. S. Stolyarov, Adv. Funct. Mater. 32, 2209853 (2022).
  56. M.M. Otrokov, T.V. Menshchikova, I.P. Rusinov, M.G. Vergniory, V.M. Kuznetsov, and E.V. Chulkov, JETP Lett. 105, 297 (2017).
  57. J. Henk, M. Flieger, I.V. Maznichenko, I. Mertig, A. Ernst, S.V. Eremeev, and E.V. Chulkov, Phys. Rev. Lett. 109, 076801 (2012).
  58. L.-X. Wang, Y. Yan, L. Zhang, Z.-M. Liao, H.-C. Wu, and D.-P. Yu, Nanoscale 7(40), 16687 (2015).
  59. T.V. Menshchikova, M.M. Otrokov, S. S. Tsirkin, D.A. Samorokov, V.V. Bebneva, A. Ernst, V.M. Kuznetsov, and E.V. Chulkov, Nano Lett. 13, 6064 (2013).
  60. S. Lisi, X. Lu, T. Benschop et al. (Collaboration), Nature Phys. 17(2), 189 (2021).
  61. M. I.B. Utama, R. J. Koch, K. Lee et al. (Collaboration), Nature Phys. 17(2), 184 (2021).
  62. D. Pierucci, H. Sediri, M. Hajlaoui, J.-C. Girard, T. Brumme, M. Calandra, E. Velez-Fort, G. Patriarche, M.G. Silly, G. Ferro, V. Souli'ere, M. Marangolo, F. Sirotti, F. Mauri, and A. Ouerghi, ACS Nano 9(5), 5432 (2015).
  63. D. Marchenko, D. Evtushinsky, E. Golias, A. Varykhalov, T. Seyller, and O. Rader, Sci. Adv. 4(11), eaau0059 (2018).
  64. H. Henck, J. Avila, Z. Ben Aziza et al. (Collaboration), Phys. Rev. B 97, 245421 (2018).
  65. P.E. Bl�ochl, Phys. Rev. B 50(24), 17953 (1994).
  66. G. Kresse and J. Hafner, Phys. Rev. B 47(1), 558 (1993).
  67. G. Kresse and J. Furthm�uller, Phys. Rev. B 54(16), 11169 (1996).
  68. G. Kresse and J. Furthm�uller, Comput. Mater. Sci. 6(1), 15 (1996).
  69. J.P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77(18), 4 (1996).
  70. S. Grimme, J. Antony, S. Ehrlich, and H. Krieg, J. Chem. Phys. 132(15), 154104 (2010).
  71. V. I. Anisimov, J. Zaanen, and O.K. Andersen, Phys. Rev. B 44(3), 943 (1991).
  72. S. Dudarev, G. Botton, S. Savrasov, C. Humphreys, and A. Sutton, Phys. Rev. B 57(3), 1505 (1998).
  73. M. Cococcioni and S. De Gironcoli, Phys. Rev. B 71(3), 035105 (2005).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2023 Российская академия наук

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».