Physical Review X: 揭示MnBi2Te4中層數奇偶依賴的磁行為

2021-01-11 網易

2021-01-10 11:55:20　來源: 知社學術圈

舉報

　　

　　拓撲量子材料是近年來凝聚態物理領域的研究熱點，對於未來量子器件的設計和應用具有重要的意義。2013年，清華大學薛其坤院士和物理所呂力研究員團隊等合作，首次在拓撲薄膜材料中通過磁性原子摻雜實現了量子反常霍爾效應。本徵的磁性拓撲絕緣體是有望實現高溫量子反常霍爾效應和軸子絕緣體的候選材料，但是報導的無摻雜的本徵磁性拓撲絕緣體材料體系非常少。MnBi2Te4是一種新型的本徵層狀磁性拓撲材料，展現出許多新奇的性質，如A-type反鐵磁耦合以及量子反常霍爾效應等，已得到凝聚態物理領域的高度關注。

　　近日，北京大學物理學院凝聚態物理與材料物理研究所、人工微結構與介觀物理國家重點實驗室葉堉課題組與路建明課題組及中科院物理所黃元副研究員合作，首次研究了從單層到少層的MnBi2Te4在層數、溫度、外磁場等參數空間下的磁行為。該研究成果以「Odd-even layer-number effect and layer-dependent magnetic phase diagrams in MnBi2Te4」 為題在《物理評論X》（Physical ReviewX, PRX）上發表。

　　

　　圖1. MnBi2Te4晶體結構以及磁結構。

　　圖1展示了MnBi2Te4的原子結構示意圖，每個單層中包含7個原子層，形成Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te七重層（SL）。在每個SL層內，Mn原子的磁矩鐵磁排列，而在兩個SL層之間，Mn原子磁矩反鐵磁耦合，形成A-type的反鐵磁結構。理論計算表明MnBi2Te4的拓撲性質隨層數有明顯的依賴關係，這可能和其A-type的反磁結構對表面拓撲性質的影響有關。因此，揭示MnBi2Te4磁性隨層數的變化及其磁態在外磁場、溫度下的具體演化規律對於進一步結合其拓撲性質和磁性的研究具有重要的意義。

　　在這項工作中，浙江工業大學的許曉峰課題組合成了高質量的MnBi2Te4塊材，中科院物理所黃元副研究員利用獨立發展的新型解理技術，成功製備出從單層到少層連續變化的MnBi2Te4薄層樣品。北京大學團隊通過反射磁圓二向色性譜（reflective magnetic circular dichroism，RMCD）揭示了從單層到少層的MnBi2Te4在層數、溫度、外磁場等參數空間下的磁行為，發現了本徵磁性拓撲絕緣體材料MnBi2Te4中spin-flop場隨層數變化的奇偶效應（odd-even layer-number effect），如圖2。基於此實驗現象，利用一維線性鏈模型研究者得到層間交換耦合強度和磁各項異性能等基本磁參數，並詳細解釋了在各個層數下樣品自旋翻轉隨外加磁場的演化過程，以及在較厚偶數層樣品中的多步spin-flop（multistep spin-flop），揭示了表面spin-flop（surface spin flop，SSF）和塊體spin-flop（bulk spin flop，BSF）的過程。工作通過實驗結果與理論結果的對照，有望為未來進一步揭示MnBi2Te4中磁性和拓撲性質的相互關係並利用層數、外場等調控磁性從而調控拓撲性質的提供重要基礎。

　　

　　圖2. 少層MnBi2Te4中磁性行為的奇偶效應及磁演化過程。

　　隨著溫度升高，磁性材料經歷反鐵磁到順磁的磁相變，通過對RMCD 信號的溫度擬合，能夠得到如圖3的層數-溫度磁相圖；在低於奈爾溫度範圍內，利用平均場近似模擬得到各個不同層厚樣品隨溫度、外磁場下的磁相變演化，從而獲得在各個層厚下的樣品的磁場-溫度磁相圖，如圖4。實驗結果和理論計算的一致性證明了這一有限溫度模擬方法對於其他磁性材料體系也有一定的借鑑價值。在變化的外部磁場和溫度下，具有不同層數的MnBi2Te4樣品中的複雜的磁態可被用來進一步操縱該材料的相關量子態。

　　

　　圖3. 單層至9層MnBi2Te4光學照片及層數、溫度依賴的磁相圖。

　　

　　圖4. 少層MnBi2Te4溫度、外磁場依賴的磁相圖。

　　北京大學物理學院凝聚態物理與材料物理研究所和人工微結構與介觀物理國家重點實驗室研究員葉堉、路建明和中國科學院物理所副研究員黃元為文章共同通訊作者，北京大學物理學院博士研究生生楊詩祺、博士後徐曉龍與本科生朱堯崢為文章共同第一作者。這一工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、中國科學院青年創新促進會等支持。

　　https://journals.aps.org/prx/pdf/10.1103/PhysRevX.11.011003

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