研究快讯 | 内禀磁性拓扑绝缘体的实验实现

 

原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 27 May 2019; 

online 4 June 2019

Express Letter

Experimental Realization of an Intrinsic Magnetic Topological Insulator

Yan Gong(龚演), Jingwen Guo(郭景文), Jiaheng Li(李佳恒), Kejing Zhu(朱科静), Menghan Liao(廖孟涵), Xiaozhi Liu(刘效治), Qinghua Zhang(张庆华), Lin Gu(谷林), Lin Tang(唐林), Xiao Feng(冯硝), Ding Zhang(张定), Wei Li(李渭), Canli Song(宋灿立), Lili Wang(王立莉), Pu Yu(于浦), Xi Chen(陈曦), Yayu Wang(王亚愚), Hong Yao(姚宏), Wenhui Duan(段文晖), Yong Xu(徐勇), Shou-Cheng Zhang(张首晟), Xucun Ma(马旭村), Qi-Kun Xue(薛其坤), Ke He(何珂)

Chin. Phys. Lett. 2019, 36 (7): 076801

分子束外延生长的内禀磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4的实验测量结果。左上：高分辨电子显微镜图显示了MnBi2Te4特征性的“七层”结构；右上：霍尔电阻随磁场变化曲线呈阶梯状，显示在外磁场作用下MnBi2Te4的“七层”间磁构型由反铁磁到铁磁的转变；下：角分辨光电子能谱显示出MnBi2Te4的狄拉克型表面态，表明其是一个三维拓扑绝缘体。

文章亮点

首次在实验上发现了一种内禀磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4。MnBi2Te4有序的磁性原子排列、巨大的磁能隙，以及所蕴含的丰富的拓扑相使其成为一种理想的磁性拓扑绝缘体系统，可以作为研究、调控多种拓扑物态和效应的平台。

内禀磁性拓扑绝缘体的实验实现

拓扑绝缘体是一类由时间反演对称性保护的拓扑物态，因此是非磁性的。有意思的是，人们在拓扑绝缘体中期待的新奇量子效应之中的相当一部分需要引入磁有序破坏其时间反演对称性才能出现。一个典型的例子就是量子反常霍尔效应 —— 一种无需外加磁场就可出现的量子霍尔效应，这种效应即是通过在拓扑绝缘体中掺杂磁性元素引入磁有序而首次实验实现的。然而通过磁性掺杂在拓扑绝缘体中引入磁有序并非一个理想的方法。磁性掺杂会给材料带来很强的无序及电、磁学性质的不均匀性，这导致了极低的量子反常霍尔效应实现温度（远低于铁磁居里温度），还会严重干扰如手征马约拉纳模这样需要精细控制的实验研究。一个理想的磁性拓扑绝缘体应当是内禀的，即具有确定化学计量比，磁性元素有序排列，居里温度之上是拓扑绝缘体，居里温度之下具有长程铁磁序。尽管之前有一些理论探索，磁性拓扑绝缘体一直未能在实验上获得。

清华大学何珂、薛其坤、徐勇、段文晖等带领的研究团队首次在实验上发现了一种内禀磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4。这是一种层状磁性材料，每一个 “七层”（septuple-layer, SL）单元包含一个Mn单原子层。他们通过交替生长Bi2Te3层和MnTe层的方法制备出了这种材料的单晶薄膜，其特征性的“七层”结构被高分辨电子显微镜和X射线衍射清晰确认。通过原位角分辨光电子能谱测量，他们发现这种材料只要层厚不低于两个“七层”就会具有狄拉克型表面态，表明这是一个三维拓扑绝缘体。结合磁性测量和第一原理计算，他们发现这种材料的体相是一种反铁磁三维拓扑绝缘体：Mn原子的磁矩在每个“七层”内铁磁耦合，在“七层”之间反铁磁耦合。这种独特的磁结构会使这种材料的薄膜在层厚为奇数“七层”时处于量子反常霍尔相，在层厚为偶数“七层”时处于轴子绝缘体相（axion insulator），并呈现拓扑磁电效应。计算结果表明，在此材料中拓扑表面态的磁能隙可达52 meV，这意味着其有可能在更高温度下实现量子反常霍尔效应（详细的计算结果可见该团队的理论文章：arXiv:1808.08608，即将发表于Science Advances）。最近在这种材料的单晶解离薄片样品中，量子反常霍尔效应已经被实验观测到（arXiv: 1904.11468; 1905.00715），所需温度确实高于磁性掺杂拓扑绝缘体。

MnBi2Te4有序的磁性原子排列、巨大的磁能隙，以及所蕴含的丰富的拓扑相使其成为一种理想的磁性拓扑绝缘体系统，可以作为研究、调控多种拓扑物态和效应的平台。此项研究为量子反常霍尔效应实现温度的提高和多种拓扑量子效应的探索指出了一条新的道路，必将引起拓扑物态、二维材料等多个领域研究者巨大的研究兴趣。

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