復旦&中科大今日Science：本征磁性拓撲絕緣體MnBi2Te4中的量子異常霍爾效應

木文韜 4年前 (2020-02-21) 6779瀏覽

【引言】

所有拓撲材料共有的一個顯著特征是拓撲保護量子態的存在，這些量子態對局部擾動具有很強的抵抗能力。例如，在拓撲絕緣體（TI）中，如Bi₂Te₃，體帶拓撲結構保證了2D表面態的存在，且具有無間隙狄拉克色散。在最初的時反不變量中引入磁性，會導致它們的電子結構發生深刻的變化。具體地說，長程磁序打破了時間反轉對稱性，并在表面態的無高斯狄拉克色散中造成了交換間隙。當費米能級位于交換隙內時，手性邊緣模式的出現將導致量子反常霍爾（QAH）效應。無損耗的QAH邊緣通道與拓撲材料固有的自旋動量鎖定相結合，可能會導致拓撲電子應用的器件概念取得進步。對摻鉻(Bi,Sb)₂Te₃中QAH效應的實驗觀察需要精確控制這種非化學計量材料中多種元素的比例。然而，大的磁化強度和低的初始載流子摻雜對材料的生長提出了挑戰，而隨機分布的磁性摻雜物作為雜質限制了磁性的質量。結果，精確量化的反常霍爾效應只出現在T = 2 K的低溫下，這遠低于居里溫度（幾十開爾文）和材料中的交換間隙（數百開爾文）。為了進一步探索豐富的拓撲現象及其潛在應用，需要固有的磁性TI（具有固有磁性順序的化學計量TI），以便可以在原始晶體中研究拓撲效應。

【成果簡介】

今日，在復旦大學張遠波教授、王靖教授和中國科學技術大學陳仙輝院士團隊（共同通訊作者）帶領下，與深圳六碳科技有限公司合作，探究了具有本征磁序的拓撲絕緣體MnBi₂Te₄薄片中的量子傳輸。在該層狀范德華晶體中，鐵磁層彼此反平行耦合；但是，當樣品具有奇數個七層樣品時，原子上薄的MnBi₂Te₄會變成鐵磁性。在1.4開爾文的五層樣品中，觀察到零場QAH效應，并且外部磁場通過鐵磁性對齊所有層，進一步將量子溫度提高到6.5開爾文。結果表明MnBi₂Te₄是進一步探索具有自發打破時間反轉對稱性的各種拓撲現象的理想場所。相關成果以題為“Quantum anomalous Hall effect in intrinsic magnetic topological insulator MnBi₂Te₄”發表在了Science。