內稟磁性拓撲絕緣體的實驗實現

2020-12-07 騰訊網

　　原文已發表在CPL Express Letters欄目

　　Received 27 May 2019;

　　online 4 June 2019

　　Express Letter

　　分子束外延生長的內稟磁性拓撲絕緣體MnBi2Te4的實驗測量結果。左上：高分辨電子顯微鏡圖顯示了MnBi2Te4特徵性的「七層」結構；右上：霍爾電阻隨磁場變化曲線呈階梯狀，顯示在外磁場作用下MnBi2Te4的「七層」間磁構型由反鐵磁到鐵磁的轉變；下：角分辨光電子能譜顯示出MnBi2Te4的狄拉克型表面態，表明其是一個三維拓撲絕緣體。

　　文章亮點

　　首次在實驗上發現了一種內稟磁性拓撲絕緣體MnBi2Te4。MnBi2Te4有序的磁性原子排列、巨大的磁能隙，以及所蘊含的豐富的拓撲相使其成為一種理想的磁性拓撲絕緣體系統，可以作為研究、調控多種拓撲物態和效應的平臺。

　　內稟磁性拓撲絕緣體的實驗實現

　　拓撲絕緣體是一類由時間反演對稱性保護的拓撲物態，因此是非磁性的。有意思的是，人們在拓撲絕緣體中期待的新奇量子效應之中的相當一部分需要引入磁有序破壞其時間反演對稱性才能出現。一個典型的例子就是量子反常霍爾效應 —— 一種無需外加磁場就可出現的量子霍爾效應，這種效應即是通過在拓撲絕緣體中摻雜磁性元素引入磁有序而首次實驗實現的。然而通過磁性摻雜在拓撲絕緣體中引入磁有序並非一個理想的方法。磁性摻雜會給材料帶來很強的無序及電、磁學性質的不均勻性，這導致了極低的量子反常霍爾效應實現溫度（遠低於鐵磁居裡溫度），還會嚴重幹擾如手徵馬約拉納模這樣需要精細控制的實驗研究。一個理想的磁性拓撲絕緣體應當是內稟的，即具有確定化學計量比，磁性元素有序排列，居裡溫度之上是拓撲絕緣體，居裡溫度之下具有長程鐵磁序。儘管之前有一些理論探索，磁性拓撲絕緣體一直未能在實驗上獲得。

　　清華大學何珂、薛其坤、徐勇、段文暉等帶領的研究團隊首次在實驗上發現了一種內稟磁性拓撲絕緣體MnBi2Te4。這是一種層狀磁性材料，每一個 「七層」（septuple-layer, SL）單元包含一個Mn單原子層。他們通過交替生長Bi2Te3層和MnTe層的方法製備出了這種材料的單晶薄膜，其特徵性的「七層」結構被高分辨電子顯微鏡和X射線衍射清晰確認。通過原位角分辨光電子能譜測量，他們發現這種材料只要層厚不低於兩個「七層」就會具有狄拉克型表面態，表明這是一個三維拓撲絕緣體。結合磁性測量和第一原理計算，他們發現這種材料的體相是一種反鐵磁三維拓撲絕緣體：Mn原子的磁矩在每個「七層」內鐵磁耦合，在「七層」之間反鐵磁耦合。這種獨特的磁結構會使這種材料的薄膜在層厚為奇數「七層」時處於量子反常霍爾相，在層厚為偶數「七層」時處於軸子絕緣體相（axion insulator），並呈現拓撲磁電效應。計算結果表明，在此材料中拓撲表面態的磁能隙可達52 meV，這意味著其有可能在更高溫度下實現量子反常霍爾效應（詳細的計算結果可見該團隊的理論文章：arXiv:1808.08608，即將發表於Science Advances）。最近在這種材料的單晶解離薄片樣品中，量子反常霍爾效應已經被實驗觀測到（arXiv: 1904.11468; 1905.00715），所需溫度確實高於磁性摻雜拓撲絕緣體。

　　MnBi2Te4有序的磁性原子排列、巨大的磁能隙，以及所蘊含的豐富的拓撲相使其成為一種理想的磁性拓撲絕緣體系統，可以作為研究、調控多種拓撲物態和效應的平臺。此項研究為量子反常霍爾效應實現溫度的提高和多種拓撲量子效應的探索指出了一條新的道路，必將引起拓撲物態、二維材料等多個領域研究者巨大的研究興趣。

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