Non-monotonic variation of the Kramers point band gap with increasing magnetic doping in BiTeI

Abstract

Polar Rashba-type semiconductor BiTeI doped with magnetic elements constitutes one of the most promising platforms for the future development of spintronics and quantum computing thanks to the combination of strong spin-orbit coupling and internal ferromagnetic ordering. The latter originates from magnetic impurities and is able to open an energy gap at the Kramers point (KP gap) of the Rashba bands. In the current work using angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) we show that the KP gap depends non-monotonically on the doping level in case of V-doped BiTeI. We observe that the gap increases with V concentration until it reaches 3% and then starts to mitigate. Moreover, we find that the saturation magnetisation of samples under applied magnetic field studied by superconducting quantum interference device (SQUID) magnetometer has a similar behaviour with the doping level. Theoretical analysis shows that the non-monotonic behavior can be explained by the increase of antiferromagnetic coupled atoms of magnetic impurity above a certain doping level. This leads to the reduction of the total magnetic moment in the domains and thus to the mitigation of the KP gap as observed in the experiment. These findings provide further insight in the creation of internal magnetic ordering and consequent KP gap opening in magnetically-doped Rashba-type semiconductors.

Глава 9. Магнитные Эффекты В Электронной Структуре Новых Квантовых Материалов

“…Благодаря слоистой структуре материала BiTeI, состоящего из трехслойных блоков Te-Bi-I и разделенных Ван-дер-Ваальсовыми промежутками, электронные состояния вблизи уровня Ферми описываются параболическим законом дисперсии. При этом за счет сильного спин-орбитального взаимодействия дисперсионные зависимости оказываются расщеплены по спину и спиновое рас- [4] ным взаимодействием Рашбы, легированного атомами магнитных металлов (V, Mn) с варьируемой концентрацией от 0.5 и до 6%. Была детально исследована модификация электронной структуры в области точки Крамерса, соответствующей точке пересечения параболических дисперсионных зависимостей поверхностных состояний BiTeI (так называемых, парабол Рашбы), характеризующихся противоположной спиновой ориентацией, и показано открытие аномально большой энергетической щели в точке Крамерса, вплоть до 130-140 мэВ, величина которой изменяется с изменением концентрации примесей магнитного металла.…”

“…(e) -Зависимость максимального значения намагниченности Msat, достигаемого в магнитном поле 45 кЭ в зависимости от концентрации атомов V. Пунктирная линия представлена для измерений при температуре 4K для визуализации. Рисунок взят из работы [4]. ных магнитных атомов с учетом формирования димерных антиферромагнитных связей между примесными магнитными атомами, был проведен теоретический анализ, результаты которого представлены на Рис.…”

“…Полученные результаты по модуляции величины энергетической щели в точке Крамерса при вариации уровня допирования магнитными металлами могут быть полезными при разработке моделей высокоэффективных генераторов спиновых токов в спинтронике. Результаты опубликованы в работе [4].…”

“…(а) -Теоретическая зависимость ширины запрещенной зоны 2∆ от температуры в сравнении с экспериментальными данными для легирования 2% V. (б) -Теоретическая зависимость ширины запрещенной зоны от концентрации примесей магнитного металла с учетом возможного спаривания. Рисунок взят из работы [4].…”