科學家揭示拓撲絕緣體的鐵磁性形成機理

2021-02-25 中科院之聲

近期，中國科學院上海微系統與信息技術研究所超導實驗室原位電子結構方向組，通過使用基於同步輻射光源的軟X射線磁性圓二色性能譜和光電子能譜，結合第一性原理計算，首次揭示了具有量子反常霍爾效應的鐵磁性拓撲絕緣體中的鐵磁性形成機理。該項研究成果為尋找具有更高溫度的量子反常霍爾體系、研發新一代超低能耗量子器件的工作提供了重要的依據。該團隊成員包括葉茂、李煒、沈大偉和喬山等研究人員，相關研究成果以 Carrier-mediated ferromagnetism in the magnetic topological insulator Cr-doped (Sb,Bi)2Te3 為題，於11月19日發表在 Nature Communications 上（DOI: 10.1038/NCOMMS9913）。

量子反常霍爾效應，是一種不需要外加磁場就能實現無能量耗散電輸運的新奇量子現象。2013年，清華大學教授薛其坤領導的研究小組首次在鉻( Cr )摻雜的拓撲絕緣體( Sb,Bi )2 Te3 中實現了量子反常霍爾效應。然而，因該效應的實現需要低於100 mK 的極低溫度，目前尋找更高溫度的量子反常霍爾效應體系對於其實際應用至關重要。

上海微系統所副研究員葉茂等人，與日本原子能研究開發機構、日本廣島大學開展合作研究，使用世界最大規模的同步輻射裝置 SPring-8 所產生的高強度軟 X 光，利用磁性圓二色性能譜，對 Cr 摻雜的 ( Sb,Bi )2 Te3 體系進行了具有元素分辨能力的磁性測量。研究結果表明，在該材料中除了摻雜的 Cr 元素具有鐵磁性質以外，母相晶體中 Sb 和 Te 由於電子軌道的雜化效應，也具備了鐵磁性質。更為重要的是，正是母相晶體中 Sb 和 Te 的 p 電子軌道所具備的磁矩，為形成長程鐵磁性秩序提供了不可或缺的媒介作用，從而為量子反常霍爾效應的實現提供了必要的條件。該項研究成果揭示了拓撲絕緣體中本徵鐵磁性的形成機理，為設計和製備具有更高實現溫度的新型量子反常霍爾材料提供了堅實的依據。

該項研究得到了國家自然科學基金委青年科學基金、國家重大科研儀器設備研製專項的支持。


圖a: Cr - ( Sb , Bi )2 Te3 材料中的鐵磁性形成機理的概念圖； b: Cr 含量不同的材料中， Sb 元素的 X 光吸收譜以及 X 光磁圓二色性能譜； c: Cr 與 Sb 的元素分辨磁化曲線。

來源：中國科學院上海微系統與信息技術研究所

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