《物理評論快報》報導量子中心何慶林研究員等反鐵磁序誘導拓撲...

通過在拓撲絕緣體中引入、操作鐵磁有序能產生許多新穎的物理現象，如k空間的非平庸拓撲相變，因此凝聚態物理領域對磁性拓撲絕緣體的研究是一個重要的研究課題。在磁性拓撲絕緣體中，由於時間反演對稱性的破缺，拓撲絕緣體的表面態將會打開一個交換帶隙，產生一定的貝裡曲率，因此系統具有內廩的反常霍爾效應。在這個帶隙中出現了非零的陳（省身）數量子態，即C=±1，系統的邊緣將會存在一個手性的拓撲邊緣態，並受到拓撲保護。目前製備磁性拓撲絕緣體的手段主要有兩個，第一是通過磁性摻雜，第二是通過磁近鄰效應。前者已經成功地實現了量子反常霍爾效應，但由於實現的溫度極低（低於300mK），因此人們嘗試通過把拓撲絕緣體和高溫鐵磁體耦合在拓撲絕緣體的表面誘導出鐵磁有序。除了鐵磁體，北京大學量子材料科學中心的何慶林研究員在早期的研究中指出還能通過耦合反鐵磁體的方式來產生鐵磁有序。相對於鐵磁體，反鐵磁體具有極小的淨磁化，因此既不產生漏磁場也不影響拓撲絕緣體磁性的表徵和探測，降低器件之間的耦合，提高器件密度。

近期，何慶林及其合作者在實驗上觀察到拓撲絕緣體薄膜的拓撲相變。通過使用反鐵磁體，拓撲絕緣體的表面態能夠分別被磁化並受到獨立控制。如圖a，c所示，當上下表面磁化（M_T和M_B）具有相同的符號並大於表面雜化帶隙m_0時（Case i和iii），系統的陳數為C =±1，具有手性邊緣態，也就是量子反常霍爾效應。另一方面，在磁矩翻轉的瞬間，由於上下表面磁矩翻轉在這個材料系統中不同步，因此也能形成性的拓撲相。當M_T > 0 和M_B < 0時，由於時間反演對稱性和反對稱性同時被打破（Case iv），邊緣態會打開一個帶隙，系統變成一個常規絕緣體，系統的陳數變為零（圖d）。有趣的是，在磁矩翻轉的時候還能產生另一個拓撲相（Case ii）。當M_T = M_B 以及|M_T,B| < m_0時，系統的陳數也為零，但由於反對稱性的恢復，系統具有一對反向傳播的邊緣態（圖b），即螺旋式邊緣態。以上四種拓撲相及拓撲相變能夠通過一個反鐵磁體-拓撲絕緣體-反鐵磁體三層結構樣品的輸運性質來探測到，並通過計算非平衡格林函數來模擬。如圖e所示，當樣品具有螺旋式邊緣態時，由於導電溝道的增加，系統的磁阻在相應的磁場區域會突然變小（Case ii）；當系統變為一個常規絕緣體時，由於導電溝道的減少，系統的磁阻也相應地增加（Case iv）。由於這兩種情況的不對稱性，實驗上也能觀察到不對稱的磁阻信號，如圖e所示。這一理論計算和實驗數據相符。

 

圖：a-d，拓撲絕緣體薄膜上下表面具有不同自旋結構時的能帶結構（黑色）。反鐵磁體提供一個類拋物線的能帶結構（灰色）。e，當拓撲絕緣體上下表面的磁矩不同時翻轉時，能產生特殊的縱向和橫向電阻輸運特性。

該工作於2018年8月29日發表於知名學術期刊《物理評論快報》上。

該項工作由何慶林、美國加州大學洛杉磯分校的王康隆教授團隊、美國國家技術標準研究院的Alexander J. Grutter博士和Brian J. Kirby博士、香港科技大學的K. T. Law教授團隊、美國加州大學歐文分校的夏晶教授團隊、北京工業大學的韓曉東教授團隊、美國加州大學河濱分校的Roger K. Lake教授等合作完成。其中，何慶林、Gen Yin、Luyan Yu為文章第一作者，何慶林和王康隆為文章共同通訊作者。該項工作得到了國家自然科學基金面上項目（項目號 11874070）、國家重點研發計劃 （項目號 2018YFA0305601）以及中組部「青年千人」計劃的支持。

論文連結：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.096802

編輯：白楊