清華大學(xué)物理系研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)內(nèi)稟磁性拓?fù)浣^緣體
清華新聞網(wǎng)6月20日電 近日，清華大學(xué)物理系何珂、薛其坤等人的實(shí)驗(yàn)研究團(tuán)隊(duì)和徐勇、段文暉等人的理論研究團(tuán)隊(duì)合作首次發(fā)現(xiàn)了一種內(nèi)稟磁性拓?fù)浣^緣體MnBi2Te4，為提升量子反?；魻栃?yīng)的溫度開(kāi)辟了一條新的道路，并為多種新奇拓?fù)淞孔游飸B(tài)和效應(yīng)的研究提供了一個(gè)理想平臺(tái)。此項(xiàng)研究相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以《內(nèi)稟磁性拓?fù)浣^緣體的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)》（“Experimental realization of an intrinsic magnetic topological insulator”）為題發(fā)表于日前出版的《中國(guó)物理快報(bào)》（Chinese Physics Letters）上；相關(guān)理論結(jié)果以《MnBi2Te4家族范德瓦爾斯層狀材料中的內(nèi)稟磁性拓?fù)浣^緣體》（“Intrinsic magnetic topological insulators in van der Waals layered MnBi2Te4-family materials”）為題發(fā)表于日前出版的《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）上。
拓?fù)浣^緣體是一類(lèi)由時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性保護(hù)的拓?fù)湮飸B(tài)，因此是非磁性的。有意思的是，人們?cè)谕負(fù)浣^緣體中期待的新奇量子效應(yīng)之中的相當(dāng)一部分需要引入磁有序破壞其時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性才能出現(xiàn)。一個(gè)典型的例子就是量子反?；魻栃?yīng)——一種無(wú)需外加磁場(chǎng)就可出現(xiàn)的量子霍爾效應(yīng)，這種效應(yīng)即是通過(guò)在拓?fù)浣^緣體中摻雜磁性元素引入磁有序而首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的。然而通過(guò)磁性摻雜在拓?fù)浣^緣體中引入磁有序并非一個(gè)理想的方法。磁性摻雜會(huì)給材料帶來(lái)高度無(wú)序及電、磁學(xué)性質(zhì)的不均勻性，這導(dǎo)致了極低的量子反?；魻栃?yīng)實(shí)現(xiàn)溫度（遠(yuǎn)低于鐵磁居里溫度），還會(huì)嚴(yán)重干擾如手征馬約拉納模這樣需要精細(xì)控制的實(shí)驗(yàn)研究。一個(gè)理想的磁性拓?fù)浣^緣體應(yīng)當(dāng)是內(nèi)稟的，即具有確定化學(xué)計(jì)量比，磁性元素有序排列，居里溫度之上是拓?fù)浣^緣體，居里溫度之下具有長(zhǎng)程鐵磁序。盡管之前有一些理論探索，磁性拓?fù)浣^緣體一直未能在實(shí)驗(yàn)上獲得。
圖1. 分子束外延生長(zhǎng)的內(nèi)稟磁性拓?fù)浣^緣體MnBi2Te4的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。（A）高分辨電子顯微鏡圖顯示了MnBi2Te4特征性的“七層”結(jié)構(gòu)；（B）角分辨光電子能譜顯示出MnBi2Te4的狄拉克型表面態(tài)，表明其是一個(gè)三維拓?fù)浣^緣體；（C）霍爾電阻隨磁場(chǎng)變化曲線(xiàn)呈階梯狀，顯示在外磁場(chǎng)作用下MnBi2Te4的“七層”間磁構(gòu)型由反鐵磁到鐵磁的轉(zhuǎn)變。
清華大學(xué)物理系何珂、薛其坤等人的實(shí)驗(yàn)研究團(tuán)隊(duì)和徐勇、段文暉等人的理論研究團(tuán)隊(duì)合作首次發(fā)現(xiàn)了一種內(nèi)稟磁性拓?fù)浣^緣體MnBi2Te4。這是一種層狀磁性材料，每一個(gè)“七層”（septuple-layer, SL）單元包含一個(gè)Mn單原子層。他們通過(guò)交替生長(zhǎng)Bi2Te3和MnTe的方法制備出了這種材料的單晶薄膜，其特征的“七層”結(jié)構(gòu)被高分辨電子顯微鏡和X射線(xiàn)衍射清晰確認(rèn)。通過(guò)角分辨光電子能譜測(cè)量，他們發(fā)現(xiàn)這種材料只要層厚不低于兩個(gè)“七層”就會(huì)具有狄拉克型表面態(tài)，表明這是一個(gè)三維拓?fù)浣^緣體（圖1）。結(jié)合磁性測(cè)量結(jié)果和第一原理計(jì)算他們發(fā)現(xiàn)這種材料的體相是一種反鐵磁拓?fù)浣^緣體：Mn原子的磁矩在每個(gè)“七層”內(nèi)鐵磁排列，在“七層”之間反鐵磁排列。理論計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種獨(dú)特的磁結(jié)構(gòu)會(huì)使這種材料顯示極其豐富的、性能優(yōu)異的拓?fù)淞孔游飸B(tài)：其層厚為奇數(shù)“七層”的薄膜處于量子反?；魻栂?，層厚為偶數(shù)“七層”的薄膜處于軸子絕緣體相（axion insulator）并呈現(xiàn)拓?fù)浯烹娦?yīng)，三維體相是追尋已久的具有拓?fù)漭S子表面態(tài)的反鐵磁拓?fù)浣^緣體，在外加磁場(chǎng)下又可轉(zhuǎn)變?yōu)樽詈?jiǎn)單（只有一對(duì)外爾點(diǎn)）的磁性外爾半金屬（圖2）。此外，磁性可以在這種材料的拓?fù)浔砻鎽B(tài)上可以打開(kāi)高達(dá)52meV的能隙，這意味著其有可能在更高溫度下實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)等量子效應(yīng)。
圖2. 內(nèi)稟磁性拓?fù)浣^緣體MnBi2Te4理論計(jì)算結(jié)果。（A）單層MnBi2Te4 的晶體結(jié)構(gòu)，對(duì)Mn元素進(jìn)行替換可生成一大類(lèi)MBi2Te4相關(guān)材料。（B）通過(guò)維度與磁性調(diào)控，MnBi2Te4家族材料能實(shí)現(xiàn)豐富的拓?fù)湮锵?，包括反鐵磁拓?fù)浣^緣體（AFM TI）、外爾半金屬（WSM）、量子反常霍爾 （QAH） 效應(yīng)、軸子絕緣體（AI）等。（C, D）單層MnBi2Te4的能帶結(jié)構(gòu)及其示意圖，其中Mn原子具有半滿(mǎn)的d軌道，費(fèi)米面附近的電子態(tài)主要由Bi/Te的p軌道貢獻(xiàn)。因此，在MnBi2Te4中，Mn和Bi/Te原子層分別提供磁性和拓?fù)?，這兩種量子序在同一種材料中實(shí)現(xiàn)了完美的結(jié)合。
MnBi2Te4有序的磁性原子排列、巨大的磁能隙，以及所蘊(yùn)含的豐富的拓?fù)湎嗍蛊涑蔀橐粋€(gè)理想的磁性拓?fù)浣^緣體系統(tǒng)，為量子反?；魻栃?yīng)實(shí)現(xiàn)溫度的提高指示了一條新的道路，并可以作為研究多種拓?fù)湮飸B(tài)和效應(yīng)的平臺(tái)，用于探索維度、磁性、對(duì)稱(chēng)性與拓?fù)渲g相互作用以及由此演生出的新物理與新應(yīng)用。此工作相關(guān)論文的預(yù)印本已引起了國(guó)際上拓?fù)湮飸B(tài)、二維材料等領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注。最近在這種材料的單晶解離薄片樣品中量子反?；魻栃?yīng)已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)到（arXiv: 1904.11468; 1905.00715），所需溫度確實(shí)要高于磁性摻雜拓?fù)浣^緣體。
該項(xiàng)工作實(shí)驗(yàn)部分論文的第一作者為清華大學(xué)物理系博士生龔演，共同通訊作者為何珂教授、薛其坤教授和徐勇副教授。理論部分論文的第一作者為清華物理系的博士生李佳恒，共同通訊作者為清華大學(xué)物理系徐勇副教授、段文暉教授和何珂教授。上述工作的合作者還包括清華大學(xué)的顧秉林教授、姚宏教授、于浦教授、王亞愚教授、張定副教授、斯坦福大學(xué)的張首晟教授、中科院物理研究所的谷林研究員等以及博士生郭景文、廖孟涵、朱科靜、李陽(yáng)、杜石橋、王尊等。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部、北京未來(lái)芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃、北京量子信息科學(xué)研究院的支持。
文章鏈接：
http://cpl.iphy.ac.cn/10.1088/0256-307X/36/7/076801
https://advances.sciencemag.org/content/5/6/eaaw5685
供稿：物理系
編輯：李華山
審核：周襄楠
