Elucidation of interface magnetism in topological insulator/ferromagnetic material and development for high-temperature quantum anomalous Hall effect

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H02616
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Akiyama Ryota 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (40633962)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: スキルミオン / 原子層物質 / トポロジカル絶縁体 / 磁性 / カルコゲナイド / ファンデルワールス物質 / ディラック錐

Outline of Final Research Achievements

The aim of this work is to introduce ferromagnetism into topological insulators to create ferromagnetic topological insulators, to induce novel quantum states such as quantum Hall effects and skyrmions, and to provide clues to improve their observed temperatures. As an achievement, the sandwich structure Mn(Bi,Sb)2Te4/(Bi,Sb)2Te3/Mn(Bi,Sb)2Te4 was fabricated for the first time using an intrinsic ferromagnetic topological insulator called Mn(Bi,Sb)2Te4, and skyrmions were successfully observed for the first time in an intrinsic ferromagnetic topological insulator. The intra- and interlayer interactions of the ferromagnetic layers of Mn(Bi,Sb)2Te4 were also systematically clarified.

Free Research Field

低次元ナノ量子物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

学術的には、真性強磁性トポロジカル絶縁体は規則的に磁性元素が並んだ構造をしており、ランダムドープに比べて強磁性相互作用が強くサンドイッチにすると軟磁性的になり、弱磁場でスキルミオンの制御が可能であることで、スキルミオンの制御性が向上した。またサンドイッチ構造では”具”の部分である(Bi,Sb)2Te3の厚みを変化させると、Mn(Bi,Sb)2Te4の層間距離が変化し、それによって磁気カップリングやトポロジカル表面状態の混成具合を制御できることは、特筆に値する。また社会的には、これらの新奇な性質を利用してスキルミオン磁気メモリなど書き換え可能な次世代デバイスへと応用できると期待されることである。