Carrier-mediated ferromagnetism in the magnetic topological insulator Cr-doped (Sb,Bi)Te

Crを添加した磁性トポロジカル絶縁体(Sb,Bi)Teにおける電荷キャリアーが媒介する強磁性

Ye, M.*; Li, W.*; Zhu, S.-Y.*; 竹田 幸治   ; 斎藤 祐児  ; Wang, J.*; Pan, H.*; Nurmamat, M.*; 角田 一樹*; Ji, F.*; Liu, Z.*; Yang, H.*; Liu, Z.*; Shen, D.*; 木村 昭夫*; Qiao, S.*; Xie, X.*

Ye, M.*; Li, W.*; Zhu, S.-Y.*; Takeda, Yukiharu; Saito, Yuji; Wang, J.*; Pan, H.*; Nurmamat, M.*; Sumida, Kazuki*; Ji, F.*; Liu, Z.*; Yang, H.*; Liu, Z.*; Shen, D.*; Kimura, Akio*; Qiao, S.*; Xie, X.*

磁性元素を添加したトポロジカル絶縁体は、量子異常ホール効果や無散逸伝導などの魅力的な現象の発現が予言され、低消費電力スピンデバイスの開発につながっていくものと期待されている。既に、いくつかの磁性添加トポロジカル絶縁体で長距離磁気秩序が確認されている。しかし、量子異常ホール効果の発現は、極低温におけるCrを添加した(Sb,Bi)Te系に限られており、強磁性の微視的な起源はほとんど分かっていない。そこで、今回、X線磁気円二色性実験による元素選択的研究を行うことにより、本物質系の強磁性は、母体の正孔キャリアーを媒介としたものであり、Crの3d電子とSbやTeのp電子の相互作用が極めて重要であることを明らかにした。この結果は、異常量子ホール素子の実現に向けても重要である。

Magnetically doped topological insulators are predicted to exhibit exotic phenomena including the quantized anomalous Hall effect and a dissipationless transport, which facilitate the development of low-power-consumption devices using electron spins. The realization of the quantized anomalous Hall effect is so far restricted to the Cr-doped (Sb,Bi)Te system at extremely low temperature; however, the microscopic origin of its ferromagnetism is poorly understood. Here we present an element-resolved study for Cr-doped (Sb,Bi)Te using X-ray magnetic circular dichroism to unambiguously show that the long-range magnetic order is mediated by the p-hole carriers of the host lattice, and the interaction between the Sb(Te) p and Cr d states is crucial.