复旦&中科大今日Science：本征磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4中的量子异常霍尔效应

木文韬 4年前 (2020-02-21) 7166浏览

【引言】

所有拓扑材料共有的一个显著特征是拓扑保护量子态的存在，这些量子态对局部扰动具有很强的抵抗能力。例如，在拓扑绝缘体（TI）中，如Bi₂Te₃，体带拓扑结构保证了2D表面态的存在，且具有无间隙狄拉克色散。在最初的时反不变量中引入磁性，会导致它们的电子结构发生深刻的变化。具体地说，长程磁序打破了时间反转对称性，并在表面态的无高斯狄拉克色散中造成了交换间隙。当费米能级位于交换隙内时，手性边缘模式的出现将导致量子反常霍尔（QAH）效应。无损耗的QAH边缘通道与拓扑材料固有的自旋动量锁定相结合，可能会导致拓扑电子应用的器件概念取得进步。对掺铬(Bi,Sb)₂Te₃中QAH效应的实验观察需要精确控制这种非化学计量材料中多种元素的比例。然而，大的磁化强度和低的初始载流子掺杂对材料的生长提出了挑战，而随机分布的磁性掺杂物作为杂质限制了磁性的质量。结果，精确量化的反常霍尔效应只出现在T = 2 K的低温下，这远低于居里温度（几十开尔文）和材料中的交换间隙（数百开尔文）。为了进一步探索丰富的拓扑现象及其潜在应用，需要固有的磁性TI（具有固有磁性顺序的化学计量TI），以便可以在原始晶体中研究拓扑效应。

【成果简介】

今日，在复旦大学张远波教授、王靖教授和中国科学技术大学陈仙辉院士团队（共同通讯作者）带领下，与深圳六碳科技有限公司合作，探究了具有本征磁序的拓扑绝缘体MnBi₂Te₄薄片中的量子传输。在该层状范德华晶体中，铁磁层彼此反平行耦合；但是，当样品具有奇数个七层样品时，原子上薄的MnBi₂Te₄会变成铁磁性。在1.4开尔文的五层样品中，观察到零场QAH效应，并且外部磁场通过铁磁性对齐所有层，进一步将量子温度提高到6.5开尔文。结果表明MnBi₂Te₄是进一步探索具有自发打破时间反转对称性的各种拓扑现象的理想场所。相关成果以题为“Quantum anomalous Hall effect in intrinsic magnetic topological insulator MnBi₂Te₄”发表在了Science。