Signatures of in-plane and out-of-plane magnetization generated by synchrotron radiation in magnetically doped and pristine topological insulators

Abstract

Possibility of in-plane and out-of-plane magnetization generated by synchrotron radiation (SR) in magnetically doped and pristine topological insulators (TIs) is demonstrated and studied by angle-resolved photoemission spectroscopy. We show experimentally and by ab initio calculations how nonequal depopulation of the Dirac cone (DC) states with opposite momenta in V-doped and pristine TIs generated by linearly polarized SR leads to the hole-generated uncompensated spin accumulation followed by the SR-induced magnetization via spintorque effect. Moreover, the photoexcitation of the DC is asymmetric, and it varies with the photon energy. We find a relation between the photoexcitation asymmetry, the generated spin accumulation, and the induced inplane and out-of-plane magnetic field. Experimentally the SR-generated in-plane and out-of-plane magnetization is confirmed by the k shift of the DC position and by the gap opening at the Dirac point even above the Curie temperature. Theoretical predictions and estimations of the measurable physical quantities substantiate the experimental results.

Механизм открытия щели в точке Дирака в электронном спектре Gd-допированного топологического изолятора

“…На нижней панели показана энергетическая зависимость результирующей спиновой поляризации по нормали к поверхности при вариации энергии связи, соответствующей переходу между состояниями верхнего и нижнего конуса дираковских состояний. Представленные спектры показывают явную инверсию спиновой поляризации между верхним и нижним конусом, характерную для магнитных ТИ, см., например [12][13][14][15][16]. Такая инверсная спиновая поляризации соответствует формированию " hedgehog-like" спиновой текстуры с противоположной спиновой поляризацией состояний на противоположных краях щели, открываемой в точке Дирака, при k II = 0, с постепенным поворотом спина параллельно поверхности при увеличении k II [12].…”

“…Для анализа электронной структуры в области энергетической щели в точке Дирака и ее зависимости от температуры и уровня магнитного легирования обычно используется метод фотоэлектронной (ФЭ) спектроскопии с угловым разрешением (ФЭСУР), см. например [5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16][17]. При этом зачастую оказывается, что измеряемые дисперсионные картины для ряда магнитных ТИ демонстрируют слабую зависимость от температуры.…”

“…При этом зачастую оказывается, что измеряемые дисперсионные картины для ряда магнитных ТИ демонстрируют слабую зависимость от температуры. В измеряемых ФЭСУР-дисперсиях наблюдается сохранение щели в точке Дирака выше температуры Кюри или Нееля, для ферромагнитных (ФМ) и антиферромагнитных (АФМ) ТИ, т. е. при нарушении дальнодействующего магнитного упорядочения [7][8][9][11][12][13][14][15][16][17].…”

“…В литературе делались попытки объяснения слабой температурной зависимости щели в точке Дирака и ее наблюдения выше температуры магнитного упорядочения, например, в работах [7,[14][15][16][17][18][19][20]. При этом, с одной стороны, высказывались предположения о немагнитной природе щели (за счет эффектов " непересечения" элек-тронных состояний, открывающих гибридизационную немагнитную щель) [17][18][19] или повышенной поверхностной температуры Кюри [20].…”

“…При этом, с одной стороны, высказывались предположения о немагнитной природе щели (за счет эффектов " непересечения" элек-тронных состояний, открывающих гибридизационную немагнитную щель) [17][18][19] или повышенной поверхностной температуры Кюри [20]. С другой стороны, открытие щели связывалось с эффектами индуцированной намагниченности, обусловленной нескомпенсированной спиновой аккумуляцией и соответствующим спин-торк-эффектом, возникающих благодаря неэквивалентному фотовозбуждению электронов с противоположных ветвей дираковского конуса электронных состояний [7,[14][15][16]. При этом была выявлена зависимость щели в точке Дирака, наблюдаемая в ФЭСУР от энергии фотонов и поляризации излучения, которые не могут быть объяснены в рамках перечисленных выше эффектов.…”