進展|本徵磁性拓撲絕緣體研究進展

2020-12-05 中科院物理所

近十幾年來，拓撲絕緣體已經成為凝聚態物理領域的一個重要研究方向。對於Z2拓撲絕緣體，其拓撲性質受到時間反演對稱性的保護。如果將Z2拓撲絕緣體的時間反演對稱性破壞，會形成一類新的拓撲態，即磁性拓撲絕緣體。磁性拓撲絕緣體可以表現出一系列新奇的物理性質，例如量子反常霍爾效應、手性馬約拉納費米子、軸子絕緣體等等。

2010年，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心方忠、戴希等理論預言磁性離子摻雜的拓撲絕緣體Bi2Te3是磁性拓撲絕緣體，具有量子反常霍爾效應，並與物理所和清華大學實驗團隊合作在2013年在Cr摻雜的(Bi,Sb)2Te3薄膜中首次觀測到量子反常霍爾效應。然而，磁性離子的引入會導致樣品組分的不均勻，需要精確調控生長條件，才能在極低溫觀測到量子反常霍爾效應。

具有本徵磁性的拓撲絕緣體不需要摻雜就能形成磁有序，很大程度上減少了樣品的不均勻，有利於在相對較高的溫度表現出有趣的拓撲量子現象。近一年來，針對本徵磁性拓撲絕緣體的理論和實驗研究層出不窮，預言了多個本徵磁性拓撲絕緣體材料，並在剝離的MnBi2Te4薄片中在強磁場下觀測到量子化的霍爾平臺。但是，角分辨光電子能譜（ARPES）實驗並沒有清楚地觀測到拓撲表面態。

中科院物理所T03組博士生徐遠鋒和高嘉成、研究員翁紅明等通過理論計算預言EuSn2As2是本徵磁性拓撲絕緣體（圖1）。但實際生長的樣品中存在Sn空位，導致空穴摻雜，帶隙位於費米能級之上。常規的ARPES實驗無法確定帶隙中是否存在拓撲表面態（圖2）。物理所EX7組博士生李航和高順業、研究員錢天和丁洪等與上海交通大學物理系張文濤課題組合作，利用泵浦雷射技術，成功觀測到帶隙中的狄拉克型的拓撲表面態（圖3）。他們還用雷射ARPES在另一類預言的本徵磁性拓撲絕緣體MnBi2Te4和MnBi4Te7中觀測到了狄拉克型的拓撲表面態（圖4、圖5）。物理所EX10組博士生朱恪嘉、研究員石友國提供了EuSn2As2樣品，中國人民大學物理系雷和暢課題組提供了MnBi2Te4和MnBi4Te7樣品。

該研究首次在磁性拓撲絕緣體中觀測到清晰的拓撲表面態，但同時也發現磁有序對拓撲表面態幾乎沒有影響，可能是由於在這些材料中局域磁矩和巡遊的拓撲電子態之間的耦合太弱。這為後續的研究提供了思路，為了增強磁有序對拓撲表面態的影響，有利於相關的拓撲量子現象的實現，需要尋找具有更強磁矩-拓撲電子態耦合的磁性拓撲絕緣體材料。

相關成果於2019年11月21日發表在【Physical Review X 9, 041039 (2019)】上。PRX期刊同期還發表了南方科技大學劉暢課題組、清華大學楊樂仙/上海科技大學柳仲楷/牛津大學陳宇林團隊的兩個工作，他們在MnBi2Te4中也觀測到了狄拉克型的拓撲表面態。這三個工作被選為Feature in Physics系列文章，並被美國物理學會《Physics》雜誌專題報導。

該工作得到了科技部（2016YFA0300600、2018YFA0305700、2016YFA0300500、2017YFA0302901、2016YFA0401000），國家自然科學基金委（11622435、U1832202、11674369、11674224、11774399、11574394、11774423、11822412、11227907、11888101），中國科學院（QYZDB-SSW-SLH043、XDB28000000）等項目的支持。

圖1. EuSn2As2的理論計算結果

圖2. EuSn2As2的常規ARPES實驗結果

圖3. EuSn2As2的泵浦雷射ARPES實驗結果

圖4. MnBi2Te4的ARPES實驗結果

圖5. MnBi4Te7的ARPES實驗結果

原文連結

編輯：赤色彗星

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