Propriétés de magnétotransport des isolants topologiques antiferromagnétiques MnBi2Te4 et MnBi4Te7

Magneto-transport properties of antiferromagnetic topological insulators MnBi2Te4 and MnBi4Te7

• Auteur / Autrice : Aoyu Tan
• Direction : Olivier Fruchart, Bernd Büchner, Romain Giraud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 21/09/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec Technische Universität (Dresde, Allemagne)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Spintronique et technologie des composants (Grenoble ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : David Ferrand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anna Isaeva, Matthias Vojta, Laura Thevenard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sergio O. Valenzuela, Thorsten Hesjedal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés magnétiques

Isolants topologiques

Mots clés libres

Isolants topologiques

Magnétotransport

Antiferromagnétique de type A

Topological insulators

Magneto-Transport

A-Type antiferromagnet

Résumé

Le couplage entre les structures de bandes topologiques et le magnétisme offre de nouvelles voies pour générer de nouveaux états quantiques topologiques, tels que l’effet Hall quantique anormal QAHE, les isolants axioniques ou les semi-métaux de Weyl magnétiques, et pour contrôler les quasi-particules avec la modification des textures magnétiques. Dans les isolants topologiques magnétiques dilués, tels que les systèmes (Bi, Sb)2Te3 dopés au Cr- ou au V, le QAHE n'est cependant observé qu'en dessous de 1K. Au contraire, les isolants topologiques magnétiques intrinsèques (IMTI), aux propriétés magnétiques plus homogènes, offrent de nouvelles perspectives, à la fois pour augmenter les températures de fonctionnement, mais aussi pour ajouter une symétrie spécifique à l'ordre magnétique pouvant ainsi modifier la topologie des structures de bandes, en plus de la brisure de symétrie introduite par le champ d’échange.Dans ce travail, nous étudions les propriétés de magnéto-transport d’isolants topologiques antiferromagnétiques de la famille [MnBi2Te4][Bi2Te3]n, des empilements à liaisons van der Waals où des couches ferromagnétiques 2D homogènes avec une anisotropie magnétique perpendiculaire sont couplées par une interaction d'échange antiferromagnétique, soit directement (n=0), soit via des espaceurs non-magnétiques (n>0). Une étude comparative de MnBi2Te4(n=0) et MnBi4Te7(n=1) révèle une évolution vers le régime de couplage faible dès qu’un plan Bi2Te3 est ajouté à la structure. Alors que MnBi2Te4est un antiferromagnétique de type A, avec des transitions de spin-flop typiques, MnBi4Te7présente un comportement métamagnétique à basse température (ensemble de ferromagnétiques 2D), uniquement induit par l'anisotropie dominante et associé à des transitions de spin-flip à champs faibles, avec des propriétés similaires à celles d’une phase ferromagnétique douce. Ces différences sont bien reproduites par un modèle de Stoner-Wohlfarth à deux couches ferromagnétiques à anisotropie perpendiculaire couplées par un champ d’échange, révélant en particulier l'importance du rapport K/J, soit l’amplitude relative de l'anisotropie magnétique K au couplage d'échange inter-couche J, afin de décrire les différents comportements magnétiques. L'anisotropie est un paramètre essentiel pour stabiliser l'aimantation des isolants topologiques magnétiques, avec la possibilité d’obtenir un état rémanent entièrement aimanté en dessous de leur température de blocage (TB~5K pour MnBi4Te7), suggérant ainsi une nouvelle voie pour réaliser le QAHE à des températures de fonctionnement plus élevées.

The coupling between topological surface states electrons and magnetism gives new routes to investigate novel topological quantum states, such as the QAHE, axion insulators or magnetic Weyl semimetals, and to control them with magnetic textures. In diluted magnetic topological insulators, such as Cr- or V-doped (Bi, Sb)2Te3 systems, the QAHE is however only observed below 1K. Intrinsic magnetic topological insulators (MTIs) hold further promises to both higher operating temperatures and the control of additional topological states by changing the magnetic order.In this work, we investigate the magneto-transport properties of vdW-layered antiferromagnetic topological insulators from the [MnBi2Te4][Bi2Te3]n family, where homogenous 2D ferromagnetic layers with a perpendicular magnetic anisotropy are coupled by exchange interactions, either directly (n=0) or via non-magnetic spacers (n>0). A comparative study of MnBi2Te4(n=0) and MnBi4Te7(n=1) reveals an evolution to the weak-coupling regime. Whereas MnBi2Te4is an A-type antiferromagnet, with typical spin-flop transitions at intermediate magnetic fields, MnBi4Te7behaves as a metamagnet (ensemble of 2D ferromagnets) at low temperature, with ferromagnetic-like properties only driven by the dominant anisotropy and typical spin-flip transitions at low fields. These differences are well captured by a modified Stoner-Wohlfarth model, revealing the importance of the K/J ratio, the relative strength of the magnetic anisotropy K to the interlayer exchange coupling J, in order to describe the different magnetization behaviors. The anisotropy is identified as a key parameter to stabilize the magnetization of intrinsic MTIs, and the fully magnetized remnant state of metamagnets below their blocking temperature (TB~5K for MnBi4Te7) suggests a new route to observe the QAHE at higher operating temperatures.