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

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本研究では強磁性をトポロジカル絶縁体表面に導入して起こる様々な効果を観測することが狙いである。特に試料端に量子異常ホール効果によってカイラルエッジ状態が誘起されたり、表面に強磁性渦のスキルミオンが誘起されることが期待できるため、そのような新奇状態について調べていきたい。意義としては、前者はエネルギー無散逸スピン偏極伝導となるため、低消費電力スピンデバイスへの応用が期待でき、後者はトポロジカルにnontrivialであることが期待されるため、外乱に頑丈なスキルミオンメモリなどが期待できる。また、強磁性とトポロジカル状態の組み合わせは、物理現象としても解明すべきことが多く基礎学理構築上も重要である。そして更に発展形として、本研究ではトポロジカル結晶絶縁体を用いた量子異常ホール効果の観測も重要な目的としている。本研究でベースとする物質の一つが、真性自己形成強磁性トポロジカル絶縁体(FMTI)であるMn(Bi,Sb)2Te4であり、これはBiとSbの組成比xを調整することでフェルミ準位が制御可能なFMTIである。これまでの実績としてスキルミオンの観測が挙げられるが、その後に続く研究としては、Mn(Bi,Sb)2Te4のSb組成比を変化させたときの、強磁性特性の調査が挙げられる。これはより高温で量子異常ホール効果を実現する上でも重要な知見である。実験結果によるとSb組成比を増やすとキュリー温度が上昇し、格子定数は小さくなることが分かった。バルク結晶のMn(Bi,Sb)2Te4においては面間（c軸方向）の反強磁性秩序が生じやすく、また面内は直接交換相互作用由来と思われる強磁性相互作用が働いていると言われているが、薄膜試料の我々の結果はそれとは整合せず、RKKY相互作用由来である可能性を示唆している。そうであるとすると、キャリア密度依存も期待でき物性の制御も視野に入れられる。