中國科大和復旦大學合作在量子反常霍爾效應研究取得新進展

2020-11-23 中國科大..

我校合肥微尺度物質科學國家研究中心和物理系陳仙輝課題組與復旦大學物理系張遠波課題組和王靖課題組合作，首次在本徵磁性拓撲絕緣體中實現量子反常霍爾效應，其實現溫度可達到1.4K。該研究成果以「Quantum anomalous Hall effect in intrinsic magnetic topological insulator MnBi2Te4」為題於美國東部時間1月23日在《Science》上在線發表（DOI:10.1126/science.aax8156）。

在磁性拓撲絕緣體中，非平庸的拓撲能帶結構與長程磁有序的結合將誘導出一系列新奇量子現象和拓撲物態，量子反常霍爾效應和軸子絕緣體是其中的典型代表。為了引入長程磁有序，現行的方法為磁性雜質摻雜。然而這種磁性摻雜的隨機性不可避免地會引入一些無序，使得這些新奇物態的觀測只能在極低溫(mK)實現，也阻礙了進一步對其進行物理研究。近來，本徵磁性拓撲絕緣體(MnBi2Te4)m(Bi2Te3)n系列材料的發現為解決這些問題提供了新思路。這類材料均含有MnBi2Te4層，在層內Mn離子之間鐵磁排列，而層與層之間則形成反鐵磁耦合。理論預言其拓撲表面態會因時間反演對稱性破缺而打開能隙，從而為實現量子反常霍爾效應等量子現象提供了理想平臺。陳仙輝課題組在前期工作中研究了這一系列單晶材料中的本徵磁性及拓撲性質，並製備出高質量的單晶材料，為實現理論預言的量子反常霍爾效應奠定了基礎。相關工作發表在Physical Review B以及預印版網站arxiv.org （M. Z. Shi et al., Phys. Rev. B 100,155144 (2019); J. H. Cui et al., Phys. Rev. B 99, 155125 (2019); Y. Hu et al., arXiv:1910.11323; Z. W. Liang et al., arXiv:2001.00866）。


圖：A：少層MnBi2Te4單晶的電輸運器件；B：五層MnBi2Te4的原子結構；C：五層MnBi2Te4單晶中的量子反常霍爾效應。


在前期工作的基礎上，陳仙輝課題組和復旦大學張遠波課題組和王靖課題組開展合作攻關，通過改良後的機械剝離的方法將MnBi2Te4單晶解理成薄層，並成功地在5層厚度的薄層樣品中在1.4K溫度和零磁場的條件下觀察到量子反常霍爾效應。並且通過外磁場進一步改善薄層樣品中的鐵磁排列，可以將實現量子化的溫度提高到6.5K，這是迄今為止觀察到量子反常霍爾效應的最高溫度記錄。這一工作成功地證明了MnBi2Te4是第一個具有量子反常霍爾效應的本徵磁性拓撲絕緣體。另外，由於MnBi2Te4是一種層狀二維材料，利用MnBi2Te4二維結構與其他磁性/超導二維材料構成的van der Waals異質結將為探索奇異的拓撲量子現象提供理想的平臺。

我校合肥微尺度物質科學國家研究中心和物理系陳仙輝教授與復旦大學物理學系張遠波教授和王靖教授為論文共同通訊作者。我校合肥微尺度物質科學國家研究中心博士生石孟竹與復旦大學物理學系博士生鄧雨君和博士後於逸駿為論文共同第一作者。該工作得到了國家自然科學基金、科技部國家重點研發計劃項目、中科院戰略性先導科技專項以及中科院前沿科學重點研發項目等的支持。

文章連結：https://science.sciencemag.org/content/367/6480/895

(合肥微尺度物質科學國家研究中心、物理學院、科研部）






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