Bound States of a Short-Range Defect on the Surface of an Intrinsic Antiferromagnetic Topological Insulator in a Noncollinear Phase

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

The features of electronic states on the surface of an intrinsic antiferromagnetic topological insulator (AFM TI) containing defects are theoretically investigated. Our approach takes into account the role of the electrostatic potential and the variation in the orientation of magnetic moments in the near-surface layers. A change in the spectral characteristics of the surface states under the transformation of magnetization from an equilibrium AFM phase of A-type to a ferromagnetic phase through a noncollinear texture is described. It is shown that in AFM TI with uniaxial anisotropy, an external magnetic field applied along the easy axis can cause a significant modulation of the exchange gap size in the spectrum of surface states and even invert the gap sign. Modeling the single defect effect as a surface potential perturbation over a finite scale, we analytically investigate the formation of a bound state and its behavior depending on the strength of potential and exchange scattering by the defect and the exchange gap size. The energy level of the bound state is demonstrated to experience a sharp shift in the vicinity of the spin-flop transition. The theoretical results obtained allow us to provide a consistent explanation of recent experimental data on scanning tunneling spectroscopy of antisite defects on the surface of the prototype AFM TI MnBi2Te4 in an external magnetic field.

About the authors

V. N. Men'shov

National Research Center Kurchatov Institute; St. Petersburg State University

Email: vnmenshov@mail.ru
123182, Moscow, Russia; 198504, St. Petersburg, Russia

E. V. Chulkov

St. Petersburg State University; Departaménto de Polímeros y Materiales Avanzados: Física, Química y Tecnología, Facultad de Ciencias Químicas, Universidad del País Vasco UPV/EHU

Author for correspondence.
Email: vnmenshov@mail.ru
198504, St. Petersburg, Russia; 20080, San Sebastián/Donostia, Basque Country, Spain

References

  1. M. M. Otrokov, I. I. Klimovskikh, H. Bentmann et al. (Collaboration), Nature 576, 416 (2019).
  2. Y. Tokura, K. Yasuda, and A. Tsukazaki, Nat. Rev. Phys. 1, 126 (2019).
  3. B. A. Bernevig, C. Felser, and H. Beidenkopf, Nature 603, 41 (2022).
  4. C.-Z. Chang, Ch.-X. Liu, and A. H. MacDonald, Rev. Mod. Phys. 95, 011002 (2023).
  5. H. Chi and J. S. Moodera, APL Mater. 10, 090903 (2022).
  6. A. Sekine and K. Nomura, J. Appl. Phys. 129, 141101 (2021).
  7. Y. Wang, F. Zhang, M. Zeng et al. (Collaboration), Front. Phys. 18, 21304 (2023).
  8. R. S. K. Mong, A. M. Essin, and J. E. Moore, Phys. Rev. B 81, 245209 (2010).
  9. 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).
  10. D. Ovchinnikov, X. Huang, Z. Lin, Z. Fei, J. Cai, T. Song, M. He, Q. Jiang, C. Wang, H. Li, Y. Wang, Y. Wu, D. Xiao, J.-H. Chu, J. Yan, C.-Z. Chang, Y.-T. Cui, and X. Xu, Nano Lett. 21, 2544 (2021).
  11. A. M. Shikin, D. A. Estyunin, N. L. Zaitsev et al. (Collaboration), Phys. Rev. B 104, 115168 (2021).
  12. A. M. Shikin, D. A. Estyunin, I. I. Klimovskikh et al. (Collaboration), Sci. Rep. 10, 13226 (2020).
  13. А. М. Шикин, Д. А. Естюнин, Д. А. Глазкова, С. О. Фильнов, И. И. Климовских, Письма в ЖЭТФ 115, 241 (2022).
  14. Y.-J. Hao, P. Liu, Y. Feng et al. (Collaboration), Phys. Rev. X 9, 041038 (2019).
  15. H. Li, S.-Y. Gao, S.-F. Duan et al. (Collaboration), Phys. Rev. X 9, 041039 (2019).
  16. Y. Chen, L. Xu, J. Li et al. (Collaboration), Phys. Rev. X 9, 041040 (2019).
  17. P. Swatek, Y. Wu, L.-L. Wang, K. Lee, B. Schrunk, J. Yan, and A. Kaminski, Phys. Rev. B 101, 161109(R) (2020).
  18. D. Nevola, H. X. Li, J.-Q. Yan, R. G. Moore, H.-N. Lee, H. Miao, and P. D. Johnson, Phys. Rev. Lett. 125, 117205 (2020).
  19. M. Garnica, M. M. Otrokov, P. C. Aguilar et al. (Collaboration), npj Quantum Mater. 7, 7 (2022).
  20. V. N. Men'shov, I. A. Shvets, and E. V. Chulkov, Phys. Rev. B 106, 205301 (2022).
  21. Z. Huang, M.-H. Du, J. Yan, and W. Wu, Phys. Rev. Materials 4, 121202 (2020).
  22. X. Wu, C.Ruan, P. Tang, F. Kang, W. Duan, and J. Li, Nano Lett. 23, 5048 (2023).
  23. A. Zeugner, F. Nietschke, A. U. Wolter et al. (Collaboration), Chem. Mater. 31, 2795 (2019).
  24. M. Liu, C. Lei, H. Kim, Y. Li, L. Frammolino, J. Yan, A. H. Macdonald, and C.-K. Shih, Proc. Natl. Acad. Sci. 119, e2207681119 (2022).
  25. P. M. Sass, J. Kim, D. Vanderbilt, J. Yan, and W. Wu, Phys. Rev. Lett. 125, 037201 (2020).
  26. Y. Deng, Y. Yu, M. Z. Shi, Z. Guo, Z. Xu, J. Wang, X. H. Chen, and Y. Zhang, Science 367, 895 (2020).
  27. S. H. Lee, Y. Zhu, Y. Wang et al. (Collaboration), Phys. Rev. Research 1, 012011 (2019).
  28. C. Lei, O. Heinonen, A. H. MacDonald, and R. J. McQueeney, Phys. Rev. Materials 5, 064201 (2021).
  29. S. Yang, X. Xu, Y. Zhu, R. Niu, C. Xu, Y. Peng, X. Cheng, X. Jia, Y. Huang, X. Xu, J. Lu, and Y. Ye, Phys. Rev. X 11, 011003 (2021).
  30. J. Cai, D. Ovchinnikov, Z. Fei, M. He, T. Song, Z. Lin, C. Wang, D. Cobden, J.-H. Chu, Y.-T. Cui, C.-Z. Chang, D. Xiao, J. Yan, and X. Xu, Nat.Commun. 13, 1668 (2022).
  31. M. P. Andersen, E. Mikheev, I. T. Rosen, L. Tai, P. Zhang, K. L. Wang, M. A. Kastner, and D. Goldhaber-Gordon, arXiv:2308.01183v1.
  32. G. Qian, M. Shi, H. Chen, S. Zhu, J. Hu, Z. Huang, Y. Huang, X.-H. Chen, and H.-J. Gao, Nano Res. 16, 1101 (2023).
  33. I. P.Rusinov, V. N. Men'shov, and E. V. Chulkov, Phys. Rev. B 104, 035411 (2021).
  34. E. K. Petrov, V. N. Men'shov, I. P.Rusinov, M. Ho mann, A. Ernst, M. M. Otrokov, V. K. Dugaev, T. V. Menshchikova, and E. V. Chulkov, Phys. Rev. B 103, 235142 (2021).
  35. В. Н. Меньшов, И. П. Русинов, Е. В. Чулков, Письма в ЖЭТФ 114, 768 (2021)
  36. V. N. Men'shov, I. P.Rusinov, and E. V. Chulkov, JETP Lett. 114, 699 (2021).
  37. В. Н. Меньшов, Е. В. Чулков, Письма в ЖЭТФ 117, 147 (2023)
  38. V. N. Men'shov and E. V. Chulkov, JETP Lett. 117, 147 (2023).
  39. C.-X. Liu, X.-L. Qi, H. J. Zhang, X. Dai, Z. Fang, S.-C. Zhang, Phys. Rev. B 82, 045122 (2010).
  40. V. N. Men'shov, I. A. Shvets, V. V. Tugushev, and E. V. Chulkov, Phys. Rev. B 96, 075302 (2017).
  41. В. Н. Меньшов, И. А. Швец, Е. В. Чулков, Письма в ЖЭТФ 110, 777 (2019)
  42. V. N. Men'shov, I. A. Shvets, and E. V. Chulkov, JETP Lett. 110, 771 (2019).
  43. S. Yang, X. Xu, Y. Zhu, R. Niu, C. Xu, Y. Peng, X. Cheng, X. Jia, Y. Huang, X. Xu, J. Lu, and Y. Ye, Phys. Rev. X 11, 011003 (2021).
  44. J. Ge, Y. Liu, P. Wang, Z. Xu, J. Li, H. Li, Z. Yan, Y. Wu, Y. Xu, and J. Wang, Phys. Rev. B 105, L201404 (2022).
  45. Y. Zhang, K. Deng, X. Zhang, M. Wang, Y. Wang, C. Liu, J.-W. Mei, S. Kumar, E. F. Schwier, K. Shimada, C. Chen, and B. Shen, Phys. Rev. B 101, 205126 (2020).
  46. Y. Lai, L. Ke, J. Yan, R. D. McDonald, and R. J. McQueeney, Phys. Rev. B 103, 184429 (2021).
  47. J. Lu, W.-Y. Shan, H.-Z. Lu, and S.-Q. Shen, New J. Phys. 13, 103016 (2011).
  48. V. A. Sablikov and A. A. Sukhanov, Phys. Status Solidi RRL 8, 853 (2014).
  49. Справочник по специальным функциям, под ред. М. Абрамовица, И. Стиган, Наука, М. (1979).

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».