Neutron diffraction study of magnetism in van der Waals layered MnBi2n Te3n+1

拓扑绝缘体 磁性 凝聚态物理 材料科学 范德瓦尔斯力 中子 中子衍射 磁矩 化学 结晶学 磁化 晶体结构 物理 磁场 量子力学 分子
作者
Lei Ding,Chaowei Hu,Erxi Feng,Chenyang Jiang,Iurii Kibalin,Arsen Gukasov,Miaofang Chi,Ni Ni,Huibo Cao
出处
期刊:Journal of Physics D [Institute of Physics]
卷期号:54 (17): 174003-174003 被引量:24
标识
DOI:10.1088/1361-6463/abe0dd
摘要

Abstract Two-dimensional van der Waals MnBi 2 n Te 3 n +1 ( n = 1, 2, 3, 4) compounds have been recently found to be intrinsic magnetic topological insulators rendering quantum anomalous Hall effect and diverse topological states. Here, we summarize and compare the crystal and magnetic structures of this family, and discuss the effects of chemical composition on their magnetism. We found that a considerable fraction of Bi occupies at the Mn sites in MnBi 2 n Te 3 n +1 ( n = 1, 2, 3, 4) while there is no detectable Mn at the non-magnetic atomic sites within the resolution of neutron diffraction experiments. The occupancy of Mn monotonically decreases with the increase of n . The polarized neutron diffraction on the representative MnBi 4 Te 7 reveals that its magnetization density is exclusively accumulated at the Mn site, in good agreement with the results from the unpolarized neutron diffraction. The defects of Bi at the Mn site naturally explain the continuously reduced saturated magnetic moments from n = 1 to n = 4. The experimentally estimated critical exponents of all the compounds generally suggest a three-dimensional character of magnetism. Our work provides material-specified structural parameters that may be useful for band structure calculations to understand the observed topological surface states and for designing quantum magnetic materials through chemical doping.
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