Нетривиальная топология электронной структуры слоистого ван-дер-ваальсовского изолятора MnBi2Te4 в условиях антиферромагнитного порядка спинов ионов Mn

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-22-10021

НазваниеНетривиальная топология электронной структуры слоистого ван-дер-ваальсовского изолятора MnBi2Te4 в условиях антиферромагнитного порядка спинов ионов Mn

Руководитель Вальков Валерий Владимирович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" , Красноярский край

Конкурс №76 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-201 - Теория конденсированного состояния

Ключевые слова Топологический изолятор, антиферромагнитное упорядочение, MnBi2Te4, скос магнитных подрешеток, обменное взаимодействие, спин-орбитальная связь, электронная структура, топологический инвариант, кризизна Берри, теплоемкость

Код ГРНТИ29.19.03

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В проекте изучаются принципиальные вопросы, возникшие в физике конденсированного состояния после открытия в 2019 году топологического антиферромагнетика MnBi2Te4. Синтезирование материала, сочетающего внутренний магнитный порядок с нетривиальной топологией электронной структуры, обозначило проблему сосуществования дальнего антиферромагнитного упорядочения и нетривиальной топологии электронной структуры. Анализ отмеченной проблемы осуществляется посредством решения связанных между собой задач. Будет сформулирована модель, учитывающая слоистую структуру материала, спин-орбитальное взаимодействие в ионах Te, наличие магнитных степеней свободы ионов марганца и анизотропную обменную связь между спинами этих ионов. Кроме того важная роль отводится учету спин-спинового взаимодействия между локализованной и коллективизированной подсистемами. В рамках такой эффективной модели MnBi2Te4 находятся условия реализации нетривиальной топологии электронного энергетического спектра и определяется влияние отмеченных взаимодействий на кривизну Бери и топологический индекс. К этому же направлению относятся задачи, связанные с определением зависимости намагниченности подрешетки и угла скоса антиферромагнитной структуры MnBi2Te4 от внешнего магнитного поля H. Полученные результаты позволят проследить за эволюцией топологических свойств материала при изменении его основного состояния, связанного со скосом магнитных подрешеток. В проекте важная роль отводится учету вкладов спин-волновых возбуждений подсистемы локализованных спинов в температурные зависимости характеристик топологического антиферромагнетика. При этом предполагается развитие диаграммных форм теории возмущений для спин-фермионных систем, использующих, в частности, сочетание диаграммной техники Фейнмана со спиновой диаграммной техникой в условиях сильно развитых нулевых квантовых колебаний. Эти исследования актуальны как с фундаментальной точки зрения, так и с точки зрения сопоставления с экспериментальными данными (PRX, V. 9, 041038 (2019)) по поведению намагниченности топологического антиферромагнетика MnBi2Te4 при разных значениях T и H с целью уточнения значений параметров энергетической структуры MnBi2Se4. Проведение расчетов температурной зависимости теплоемкости MnBi2Te4 при различных значениях магнитного поля, индуцирующего скос магнитных подрешеток MnBi2Te4 позволит использовать особенности поведения теплоемкости для корректировки параметров модели. Важная часть проекта посвящена исследованиям, связанным с определением влияния допирования ионами Sb на энергетическую структуру топологического антиферромагнетика MnBi2Te4. Полученные результаты будут сопоставлены с экспериментальными данными, полученными в этом году в системе Mn(Bi1-xSbx)2Te4 при x=0.93 (PRB, V. 105, 195125 (2022)).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Вальков В.В., Злотников А.О., Гамов А. Interplay between Magnetism and Topology in MnBi2Te4 JETP Letters, V. 118, No. 5, pp. 328-335 (год публикации - 2023)
10.1134/S0021364023602336

2. Вальков В.В., Злотников А.О., Гамов А. Сильная магнитная анизотропия ансамбля фермионов Хаббарда в топологическом изоляторе MnBi2Te4 ИФТТ РАН, Черноголовка, Сборник тезисов Международной конференции «Совещание по физике низких температур» ФНТ-2024, С. 58. (год публикации - 2024)

3. Вальков В.В., Злотников А.О., Гамов А. Влияние магнитного порядка на топологический индекс антиферромагнитного изолятора MnBi2Te4 ИФМ УрО РАН, Екатеринбург, Тезисы докладов XXV Уральской международной зимней школы по физике полупроводников, С. 39-40 (год публикации - 2024)

4. Вальков В.В., Злотников А.О. Магнитные взаимодействия и анизотропия в антиферромагнитном топологическом изоляторе MnBi2Te4 Москва-Сочи: Изд-во ФИАН, Сборник тезисов XXIII Всероссийской конференции «Проблемы физики твердого тела и высоких давлений», С. 60-62 (год публикации - 2024)

5. Вальков В.В., Злотников А.О., Гамов А., Федорова Н.А., Томилин Ф.Н. Quantum Effects at a Spin-Flop Transition in the Antiferromagnetic Topological Insulator MnBi2Te4 JETP Letters, V. 120, No. 7, pp. 499-508 (год публикации - 2024)
10.1134/S0021364024603002

6. Вальков В.В., Злотников А.О., Гамов А. ФЛУКТУАЦИОННЫЙ МЕХАНИЗМ ОДНОИОННОЙ АНИЗОТРОПИИ ТОПОЛОГИЧЕСКОГО ИЗОЛЯТОРА MnBi2Te4 ЖУРНАЛ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ, том 167, вып. 6, стр. 846–856 (год публикации - 2025)
10.31857/S0044451025060100

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
I) Экспериментальные исследования топологического изолятора MnBi2Te4 в магнитном поле, ориентированном вдоль тригональной оси кристалла, при температурах, много меньших температуры Нееля, показали, что при возрастании магнитного поля от нуля до поля спин-флоп перехода наблюдалось монотонное увеличение намагниченности. Такое поведение противоречило феноменологической теории, поскольку по ее предсказаниям намагниченность в отмеченных областях температуры и магнитного поля должна равняться нулю. Это расхождение послужило причиной постановки исследований, направленных на развитие квантовой теории, позволяющей описать указанные выше аномалии в поведении низкотемпературной намагниченности. В процессе исследований использовалось атомное представление и диаграммная техника для операторов Хаббарда. Были получены следующие результаты: 1. В рамках эффективного гамильтониана, описывающего магнитную подсистему топологического изолятора MnBi2Te4 и учитывающего анизотропию, квазидвумерность, а также треугольный тип решетки, построена квантовая теория спектральных и термодинамических свойств MnBi2Te4 в магнитном поле. 2. Получено дисперсионное уравнение, описывающее все ветви спектра магнитных возбуждений и учитывающее взаимосвязь дипольных и квадрупольных степеней свободы. Решение этого уравнения при ненулевых значениях магнитного поля для всех допустимых фаз позволило определить квантовую ренормировку критических полей, определяющих поле спин-флоп перехода, а также поле насыщения при поперечной геометрии. 3. Проанализированы поправки к намагниченности подрешеток, обусловленные нулевыми квантовыми колебаниями, возникающими вследствие того, что неелевское состояние не соответствует точной функции гамильтониана системы. В аналитическом виде показано, что поправки не зависят от магнитного поля и не влияют на поведение намагниченности до точки спин-флоп перехода. 4. Установлено, что экспериментально обнаруженные особенности низкотемпературного поведения намагниченности MnBi2Te4 во внешнем магнитном поле обусловлены квантовыми эффектами, инициируемыми одноионной анизотропией (ОА). При этом аномальное возрастание намагниченности материала до спин-флоп перехода, а также после него в фазе «схлопнутых» подрешеток объясняется подавлением вкладов от этих квантовых эффектов. 5. Сопоставление результатов теоретического анализа с данными эксперимента позволило уточнить параметры модели MnBi2Te4. II) Экспериментальные данные по магнитным свойствам MnBi2Te4 указывали, что в низкотемпературной области значение g-фактора двухвалентных ионов Mn близко к 2, а величина спина S =5/2. Поскольку номинальному состоянию иона Mn2+ в отмеченном соединении соответствует электронная конфигурация 3d5, то приведенные значения g-фактора и спина говорят о предпочтительности режима слабого кристаллического поля. В этом случае внутриатомное кулоновское взаимодействие электронов превалирует над межузельным взаимодействием. Поэтому основному состоянию иона Mn2+ соответствует терм 6S с орбитальным моментом L=0. Равенство нулю орбитального момента для основного терма иона марганца приводит к тому, что в линейном по параметру спин-орбитальной связи приближении ОА в MnBi2Te4 не должно быть. Между тем магнитные свойства этого соединения в антиферромагнитной фазе говорят о другом. В частности, наблюдение в низкотемпературной области спин-флоп перехода при возрастании магнитного поля, приложенного вдоль тригональной оси, указывает на наличие достаточно сильной анизотропии. Сказанное определяет актуальность теоретических исследований, направленных на выяснение микроскопического механизма анизотропных свойств MnBi2Te4. При развитии теории в отмеченном направлении учитывалось, что недиагональная часть межузельного кулоновского взаимодействия индуцирует переход электронов с ионов Te на ион Mn. В результате для последнего происходит примешивание к терму 6S терма 5D, для которого орбитальный момент равен 2. В этом случае через механизм спин-орбитальной связи в высших порядках теории возмущений возникает зависимость энергии иона Mn от ориентации спина и возникает ОА. Описанный сценарий составляет основу флуктуационного механизма индуцирования ОА в MnBi2Te4. Решение задачи проводилось с привлечением операторной формы теории возмущений, позволяющей проследить за расщеплением первоначально вырожденного терма 6S и получить заселенность состояний иона марганца для различных проекций спина. Разность этих заселенностей определяла не только флуктуационную ренормировку энергии терма 6S, но и параметры ОА. При выводе общей формулы, определяющей характер расщепления терма 6S, было введено мультиплетное представление для операторов вторичного квантования, позволяющего при учете спин-орбитального взаимодействия в диагональной форме записать гамильтониан возбужденных состояний. В ходе проведения численных расчетов были вычислены интегралы перескоков электронов, находящихся на ионах теллура и марганца в состояниях с различными проекциями орбитальных моментов. Установлены симметрийные свойства отмеченных интегралов. Это позволило уменьшить число независимых интегралов. Получены следующие результаты: 1. Развит флуктуационный механизм одноионной анизотропии топологического антиферромагнитного изолятора MnBi2Te4. В его основе лежит учет перескоков электронов между ионами Te и Mn, приводящий к снятию вырождения уровня энергии орбитального синглета 6S иона Mn2+ и формированию ОА антиферромагнитного топологического изолятора MnBi2Te4. 2. В соответствие с экспериментальными данными, предложенный флуктуационный механизм обеспечивает легкоосный тип ОА. Важно, что интервал значений константы анизотропии B20, получающийся при варьировании исходных параметров модели, включает значение B20 = -0.003 meV, необходимое для получения критического поля спин-флоп перехода Hsf, известного из эксперимента.

Публикации