СИЛЬНАЯ МАГНИТНАЯ АНИЗОТРОПИЯ АНСАМБЛЯ ФЕРМИОНОВ ХАББАРДА В ТОПОЛОГИЧЕСКОМ ИЗОЛЯТОРЕ MnBi2Te4 Текст научной статьи по специальности «Физика»

СИЛЬНАЯ МАГНИТНАЯ АНИЗОТРОПИЯ АНСАМБЛЯ ФЕРМИОНОВ ХАББАРДА В ТОПОЛОГИЧЕСКОМ ИЗОЛЯТОРЕ MnBiiTe4

Вальков В.В., Злотников А.О., Гамов А.

Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН, ФИЦ КНЦ СО РАН, Красноярск, Россия, zlotn@iph.krasn.ru

Существование при низких температурах (Tn = 24 K) антиферромагнитного (АФМ) порядка в топологическом изоляторе MnBi2Te4 [1, 2] определило повышенный научный интерес к этому слоистому ван-дер-ваальсовскому материалу, поскольку открылась возможность дополнительного воздействия на топологически защищенные поверхностные состояния.

Магнитное состояние в MnBi2Te4 соответствует АФМ порядку A типа, при котором магнитные моменты ионов Mn2+ в пределах одного слоя упорядочиваются ферромагнитно, тогда как в соседних плоскостях эти моменты ориентированы антипараллельно. По данным нейтронного рассеяния [3] внутри слоя между ионами марганца реализуется конкурирующее обменное взаимодействие АФМ типа.

Важная особенность магнитных свойств MnBi2Te4 обусловлена сильной анизотропией, когда магнитные моменты ориентированы перпендикулярно слоям. При этом поведение MnBi2Te4 в магнитном поле соответствует поведению изингоподобного антиферромагнетика. В работе [4] было показано, что это может быть связано с одноионной анизотропией ионов Mn, появляющейся только при учете спин-орбитального взаимодействия ближайших ионов Te. Однако, единого описания как анизотропных свойств, так и механизма появления конкурирующих непрямых обменных связей между ионами Mn в MnBi2Te4 нет.

В работе использовался метод эквивалентного гамильтониана (ЭГ) [5], соответствующего тригональной симметрии (группа C3d (S6)), а также переход к атомному представлению. При таком подходе носителями тока являются фермионы Хаббарда, между которыми существует кинематическое взаимодействие. Ферромагнитная связь между магнитными моментами ионов марганца, находящимися в одном слое, обусловлена, в соответствие с теоремой Нагаока, именно этим взаимодействием. Применение диаграммной формы теории возмущений для операторов Хаббарда позволило вычислить коллективный спектр магнонных возбуждений. Установлена взаимосвязь между параметрами ЭГ, константой спин-орбитального взаимодействия и величиной анизотропии. В рамках модели точечных зарядов при учете вкладов от дальних ионов в семислойке Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te проведена оценка параметров ЭГ.

Получены значения поперечной восприимчивости и скоса магнитных подрешеток, соответствующих экспериментальным данным для MnBi2Te4.

Работа выполнена за счет гранта Российского научного фонда #23-22-10021, https://rscf.ru/project/23-22-10021/ и Красноярского краевого фонда науки.

Литература

1. Otrokov M.M., Klimovskikh I.I., Bentmann H. et al. // Nature. - 2019. - V. 576. - P. 416-422.

2. Li J., Li Y., Du Sh. et. al. // Sci. Adv. - 2019. - V. 5. - P. eaaw5685.

3. Li B., Yan J.-Q, Pajerowski D M. et al. // Phys. Rev. Lett. - 2020. - V. 124. - P. 167204.

4. Li Y., Jiang Z., Li J., Xu S., Duan W. // Phys. Rev. B - 2019. V. 100. - P. 134438.

5. Альтшулер С.А., Козырев Б.М., Электронный парамагнитный резонанс соединений элементов промежуточных групп, Наука, М. (1972).