The magneto-transport, angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES), and magnetization of Bi2-xMx(SeS)3 (with M = Fe, Mn) have been investigated. In Fe-doped Bi2(SeS)3, the presence of both electron-mediated Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida (RKKY) coupling and carrier-independent van Vleck magnetism has been demonstrated. Interestingly, by varying the Fe content and temperature, the interplay between the two mechanisms for magnetic ordering has been revealed. On the other hand, in the Mn-doped sample, hole-mediated RKKY coupling is observed. Thus, a particular mechanism can be used to induce magnetic ordering in the topological insulator. Furthermore, both ARPES and magnetic studies indicate that surface magnetic ordering may or may not break the time reversal symmetry (TRS), whereas bulk magnetic ordering breaks the TRS, suggesting the potentiality of these materials for spintronic application.
References
1.
J.
Kim
and S. H.
Jhi
, Phys. Rev. B
92
, 104405
(2015
).2.
H.
Zhang
, C. X.
Liu
, X. L.
Qi
, X.
Dai
, Z.
Fang
, and S. C.
Zhang
, Nat. Phys.
5
, 438
(2009
).3.
A. N.
Zarezad
and J.
Abouie
, Phys. Rev. B
98
, 155413
(2018
).4.
R. A.
Müller
, N. R.
Lee-Hone
, L.
Lapointe
, D. H.
Ryan
, T.
Pereg-Barnea
, A. D.
Bianchi
, Y.
Mozharivskyj
, and R.
Flacau
, Phys. Rev. B
90
, 041109(R)
(2014
).5.
M. F.
Islam
, A.
Pertsova
, and C. M.
Canali
, Phys. Rev. B
99
, 155401
(2019
).6.
X.
Kou
, Y.
Fan
, M.
Lang
, P.
Upadhyaya
, and K. L.
Wang
, Solid State Commun.
215–216
, 34
(2015
).7.
D.
Zhang
, A.
Richardella
, D. W.
Rench
, S. Y.
Xu
, A.
Kandala
, T. C.
Flanagan
, H.
Beidenkopf
, A. L.
Yeats
, B. B.
Buckley
, P. V.
Klimov
, D. D.
Awschalom
, A.
Yazdani
, P.
Schiffer
, M. Z.
Hasan
, and N.
Samarth
, Phys. Rev. B
86
, 205127
(2012
).8.
R. R.
Urkude
, A.
Sagdeo
, R.
Rawat
, R. J.
Choudhary
, K.
Asokan
, S.
Ojha
, and U. A.
Palikundwar
, AIP Adv.
8
, 045315
(2018
).9.
M.
Mogi
, T.
Nakajima
, V.
Ukleev
, A.
Tsukazaki
, R.
Yoshimi
, M.
Kawamura
, K. S.
Takahashi
, T.
Hanashima
, K.
Kakurai
, T. H.
Arima
, M.
Kawasaki
, and Y.
Tokura
, Phys. Rev. Lett.
123
, 16804
(2019
).10.
L. D.
Alegria
, H.
Ji
, N.
Yao
, J. J.
Clarke
, R. J.
Cava
, and J. R.
Petta
, Appl. Phys. Lett.
105
, 053512
(2014
).11.
L. N.
Cooper
, J. R.
Schrieffer
, M.
Aprili
, J.
Lesueur
, X.
Grison
, A.
Tsukernik
, M.
Karpovski
, A.
Palevski
, R.
Loloee
, G.
Burnell
, M. G.
Blamire
, S.
Piano
, C.
Bell
, M.
Hesselberth
, M.
Porcue
, J.
Aarts
, A. F.
Volkov
, K. B.
Efetov
, T.
Yokoyama
, M.
Eschrig
, A. I.
Buzdin
, M. A.
Khasawneh
, N. O.
Birge
, H.
Cho
, V. T.
Petrashov
, Z. H.
Barber
, J. W.
Cable
, M. K.
Wilkinson
, E. O.
Wollan
, T.
Champel
, J.
Durst
, and Y. M.
Blanter
, Science
61
, 61
(2010
).12.
J. G.
Checkelsky
, J.
Ye
, Y.
Onose
, Y.
Iwasa
, and Y.
Tokura
, Nat. Phys.
8
, 729
(2012
).13.
C. Z.
Chang
, J.
Zhang
, M.
Liu
, Z.
Zhang
, X.
Feng
, K.
Li
, L. L.
Wang
, X.
Chen
, X.
Dai
, Z.
Fang
, X. L.
Qi
, S. C.
Zhang
, Y.
Wang
, K.
He
, X. C.
Ma
, and Q. K.
Xue
, Adv. Mater.
25
, 1065
(2013
).14.
Q.
Liu
, C. X.
Liu
, C.
Xu
, X. L.
Qi
, and S. C.
Zhang
, Phys. Rev. Lett.
102
, 156603
(2009
).15.
R.
Yu
, W.
Zhang
, H.-J.
Zhang
, S.-C.
Zhang
, X.
Dai
, and Z.
Fang
, Science
329
, 61
(2010
).16.
J. J.
Zhu
, D. X.
Yao
, S. C.
Zhang
, and K.
Chang
, Phys. Rev. Lett.
106
, 097201
(2011
).17.
M. A.
Ruderman
and C.
Kittel
, Phys. Rev.
96
, 99
(1954
).18.
K.
Yosida
, Phys. Rev.
106
, 893
(1957
).19.
T.
Jungwirth
, J.
Sinova
, J.
Mašek
, J.
Kučera
, and A. H.
MacDonald
, Rev. Mod. Phys.
78
, 809
(2006
).20.
X.
Kou
, M.
Lang
, Y.
Fan
, Y.
Jiang
, T.
Nie
, J.
Zhang
, W.
Jiang
, Y.
Wang
, Y.
Yao
, L.
He
, and K. L.
Wang
, ACS Nano.
7
, 9205
–9212
(2013
).21.
R.
Singh
, V. K.
Gangwar
, D. D.
Daga
, A.
Singh
, A. K.
Ghosh
, M.
Kumar
, A.
Lakhani
, R.
Singh
, and S.
Chatterjee
, Appl. Phys. Lett.
112
, 102401
(2018
).22.
23.
24.
L.
Kilanski
, W.
Dobrowolski
, E.
Dynowska
, M.
Wjcik
, B. J.
Kowalski
, N.
Nedelko
, A.
Lawska-Waniewska
, D. K.
Maude
, S. A.
Varnavskiy
, I. V.
Fedorchenko
, and S. F.
Marenkin
, Solid State Commun.
151
, 870
(2011
).25.
D.
Maryenko
, A. S.
Mishchenko
, M. S.
Bahramy
, A.
Ernst
, J.
Falson
, Y.
Kozuka
, A.
Tsukazaki
, N.
Nagaosa
, and M.
Kawasaki
, Nat. Commun.
8
, 1
(2017
).26.
A.
Singh
, R.
Singh
, T.
Patel
, G. S.
Okram
, A.
Lakhani
, V.
Ganeshan
, and A. K.
Ghosh
, Mater. Res. Bull.
98
, 1
(2018
).27.
H.
Iwasawa
, E. F.
Schwier
, M.
Arita
, A.
Ino
, H.
Namatame
, M.
Taniguchi
, and Y.
Aiura
, Ultramicroscopy
182
, 85
(2017
).28.
Y.
Yan
, L. X.
Wang
, D. P.
Yu
, and Z. M.
Liao
, Appl. Phys. Lett.
103
, 033106
(2013
).29.
Z. H.
Wang
, L.
Yang
, X. J.
Li
, X. T.
Zhao
, H. L.
Wang
, Z. D.
Zhang
, and X. P. A.
Gao
, Nano Lett.
14
, 6510
(2014
).30.
Y. L.
Chen
, J. H.
Chu
, J. G.
Analytis
, Z. K.
Liu
, K.
Igarashi
, H. H.
Kuo
, X. L.
Qi
, S. K.
Mo
, R. G.
Moore
, D. H.
Lu
, M.
Hashimoto
, T.
Sasagawa
, S. C.
Zhang
, I. R.
Fisher
, Z.
Hussain
, and Z. X.
Shen
, Science
329
, 659
(2010
).31.
Y. S.
Hor
, P.
Roushan
, H.
Beidenkopf
, J.
Seo
, D.
Qu
, J. G.
Checkelsky
, L. A.
Wray
, D.
Hsieh
, Y.
Xia
, S. Y.
Xu
, D.
Qian
, M. Z.
Hasan
, N. P.
Ong
, A.
Yazdani
, and R. J.
Cava
, Phys. Rev. B
81
, 195203
(2010
).32.
V. A.
Kulbachinskii
, A. Y.
Kaminskii
, K.
Kindo
, Y.
Narumi
, K.
Suga
, P.
Lostak
, and P.
Svanda
, Physica B (Amsterdam, Neth.)
311
, 292
(2002
).33.
C.
Kittel
, Introduction to Solid State Physics
, 8th ed. (John Wiley & Sons, Inc.
2005
).34.
C. X.
Liu
, B.
Roy
, and J. D.
Sau
, Phys. Rev. B
94
, 235421
(2016
).35.
M.
Shiranzaei
, H.
Cheraghchi
, and F.
Parhizgar
, Phys. Rev. B
96
, 024413
(2017
).36.
C. Z.
Chang
, J.
Zhang
, X.
Feng
, J.
Shen
, Z.
Zhang
, M.
Guo
, K.
Li
, Y.
Ou
, P.
Wei
, L. L.
Wang
, Z. Q.
Ji
, Y.
Feng
, S.
Ji
, X.
Chen
, J.
Jia
, X.
Dai
, Z.
Fang
, S. C.
Zhang
, K.
He
, Y.
Wang
, L.
Lu
, X. C.
Ma
, and Q. K.
Xue
, Science
340
, 167
(2013
).37.
A. M.
Shikin
, D. A.
Estyunin
, Y. I.
Surnin
, A. V.
Koroleva
, E. V.
Shevchenko
, K. A.
Kokh
, O. E.
Tereshchenko
, S.
Kumar
, E. F.
Schwier
, K.
Shimada
, T.
Yoshikawa
, Y.
Saitoh
, Y.
Takeda
, and A.
Kimura
, Sci. Rep.
9
, 1
(2019
).38.
J. M.
Zhang
, W.
Ming
, Z.
Huang
, G.
Bin Liu
, X.
Kou
, Y.
Fan
, K. L.
Wang
, and Y.
Yao
, Phys. Rev. B
88
, 235131
(2013
).39.
M. M.
Otrokov
, I. I.
Klimovskikh
, H.
Bentmann
, D.
Estyunin
, A.
Zeugner
, Z. S.
Aliev
, S.
Gaß
, A. U. B.
Wolter
, A. V.
Koroleva
, A. M.
Shikin
, M.
Blanco-Rey
, M.
Hoffmann
, I. P.
Rusinov
, A. Y.
Vyazovskaya
, S. V.
Eremeev
, Y. M.
Koroteev
, V. M.
Kuznetsov
, F.
Freyse
, J.
Sánchez-Barriga
, I. R.
Amiraslanov
, M. B.
Babanly
, N. T.
Mamedov
, N. A.
Abdullayev
, V. N.
Zverev
, A.
Alfonsov
, V.
Kataev
, B.
Büchner
, E. F.
Schwier
, S.
Kumar
, A.
Kimura
, L.
Petaccia
, G. D.
Santo
, R. C.
Vidal
, S.
Schatz
, K.
Kißner
, M.
Ünzelmann
, C. H.
Min
, S.
Moser
, T. R. F.
Peixoto
, F.
Reinert
, A.
Ernst
, P. M.
Echenique
, A.
Isaeva
, and E. V.
Chulkov
, Nature
576
, 416
(2019
).40.
Y. J.
Hao
, P.
Liu
, Y.
Feng
, X. M.
Ma
, E. F.
Schwier
, M.
Arita
, S.
Kumar
, C.
Hu
, R.
Lu
, M.
Zeng
, Y.
Wang
, Z.
Hao
, H. Y.
Sun
, K.
Zhang
, J.
Mei
, N.
Ni
, L.
Wu
, K.
Shimada
, C.
Chen
, Q.
Liu
, and C.
Liu
, Phys. Rev. X
91
, 041038
(2019
).41.
P.
Swatek
, Y.
Wu
, L.
Wang
, K.
Lee
, and B.
Schrunk
, Phys. Rev. B
101
, 161109
(2020
).42.
P.
Giannozzi
, S.
Baroni
, N.
Bonini
, M.
Calandra
, R.
Car
, C.
Cavazzoni
, D.
Ceresoli
, G. L.
Chiarotti
, M.
Cococcioni
, I.
Dabo
, A.
Dal Corso
, S.
De Gironcoli
, S.
Fabris
, G.
Fratesi
, R.
Gebauer
, U.
Gerstmann
, C.
Gougoussis
, A.
Kokalj
, M.
Lazzeri
, L.
Martin-Samos
, N.
Marzari
, F.
Mauri
, R.
Mazzarello
, S.
Paolini
, A.
Pasquarello
, L.
Paulatto
, C.
Sbraccia
, S.
Scandolo
, G.
Sclauzero
, A. P.
Seitsonen
, A.
Smogunov
, P.
Umari
, and R. M.
Wentzcovitch
, J. Phys.: Condens. Matter
21
, 395502
(2009
).43.
P.
Giannozzi
, O.
Baseggio
, P.
Bonfà
, D.
Brunato
, R.
Car
, I.
Carnimeo
, C.
Cavazzoni
, S.
De Gironcoli
, P.
Delugas
, F.
Ferrari Ruffino
, A.
Ferretti
, N.
Marzari
, I.
Timrov
, A.
Urru
, and S.
Baroni
, J. Chem. Phys.
152
, 154105
(2020
).44.
P.
Giannozzi
, O.
Andreussi
, T.
Brumme
, O.
Bunau
, M.
Buongiorno
, Nardelli, M.
Calandra
, R.
Car
, C.
Cavazzoni
, D.
Ceresoli
, M.
Cococcioni
, N.
Colonna
, I.
Carnimeo
, A. Dal
Corso
, S. de
Gironcoli
, P.
Delugas
, R. A.
DiStasio
Jr, A.
Ferretti
, A.
Floris
, G.
Fratesi
, G.
Fugallo
, R.
Gebauer
, U.
Gerstmann
, F.
Giustino
, T.
Gorni
, J.
Jia
, Kawamura, H.-Y.
Ko
, A.
Kokalj
, E.
Küçükbenli
, M.
Lazzeri
, M.
Marsili
, N.
Marzari
, F.
Mauri
, N. L.
Nguyen
, H.-V.
Nguyen
, A.
Otero-de-la-Roza
, L.
Paulatto
, S.
Poncé
, D.
Rocca
, R.
Sabatini
, B.
Santra
, M.
Schlipf
, A. P.
Seitsonen
, A.
Smogunov
, I.
Timrov
, T.
Thonhauser
, P.
Umari
, N.
Vast
, X.
Wu
, and S.
Baroni
, J. Phys.: Condens. Matter
29
, 465901
(2017
).45.
A.
Dal Corso
, Comput. Mater. Sci.
95
, 337
(2014
).46.
J. M.
Smith
, S. P.
Jones
, and L. D.
White
, Gastroenterology
72
, 193
(1977
).47.
J. P.
Perdew
, K.
Burke
, and M.
Ernzerhof
, Phys. Rev. Lett.
78
, 1396
(1997
).© 2021 Author(s).
2021
Author(s)
You do not currently have access to this content.
