清華新聞網6月20日電 近日，清華大學物理系何珂、薛其坤等人的實驗研究團隊和徐勇、段文暉等人的理論研究團隊合作首次發現了一種內稟磁性拓撲絕緣體MnBi₂Te₄，為提升量子反常霍爾效應的溫度開辟了一條新的道路，并為多種新奇拓撲量子物態和效應的研究提供了一個理想平臺。此項研究相關實驗結果以《內稟磁性拓撲絕緣體的實驗實現》（“Experimental realization of an intrinsic magnetic topological insulator”）為題發表于日前出版的《中國物理快報》（Chinese Physics Letters）上；相關理論結果以《MnBi₂Te₄家族范德瓦爾斯層狀材料中的內稟磁性拓撲絕緣體》（“Intrinsic magnetic topological insulators in van der Waals layered MnBi₂Te₄-family materials”）為題發表于日前出版的《科學·進展》（Science Advances）上。

　　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并非一個理想的方法。磁性摻雜會給材料帶來高度無序及電、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（遠低于鐵磁居里溫度），還會嚴重干擾如手征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，居里溫度之上是拓撲絕緣體，居里溫度之下具有長程鐵磁序。盡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。

　　圖1. 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。（A）高分辨電子顯微鏡圖顯示了MnBi₂Te₄特征性的“七層”結構；（B）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；（C）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。 

　　清華大學物理系何珂、薛其坤等人的實驗研究團隊和徐勇、段文暉等人的理論研究團隊合作首次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和MnTe的方法制備出了這種材料的單晶薄膜，其特征的“七層”結構被高分辨電子顯微鏡和X射線衍射清晰確認。通過角分辨光電子能譜測量，他們發現這種材料只要層厚不低于兩個“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（圖1）。結合磁性測量結果和第一原理計算他們發現這種材料的體相是一種反鐵磁拓撲絕緣體：Mn原子的磁矩在每個“七層”內鐵磁排列，在“七層”之間反鐵磁排列。理論計算結果發現這種獨特的磁結構會使這種材料顯示極其豐富的、性能優異的拓撲量子物態：其層厚為奇數“七層”的薄膜處于量子反常霍爾相，層厚為偶數“七層”的薄膜處于軸子絕緣體相（axion insulator）并呈現拓撲磁電效應，三維體相是追尋已久的具有拓撲軸子表面態的反鐵磁拓撲絕緣體，在外加磁場下又可轉變為最簡單（只有一對外爾點）的磁性外爾半金屬（圖2）。此外，磁性可以在這種材料的拓撲表面態上可以打開高達52meV的能隙，這意味著其有可能在更高溫度下實現量子反常霍爾效應等量子效應。

　　圖2. 內稟磁性拓撲絕緣體MnBi₂Te₄理論計算結果。（A）單層MnBi₂Te₄ 的晶體結構，對Mn元素進行替換可生成一大類MBi₂Te₄相關材料。（B）通過維度與磁性調控，MnBi₂Te₄家族材料能實現豐富的拓撲物相，包括反鐵磁拓撲絕緣體（AFM TI）、外爾半金屬（WSM）、量子反常霍爾 （QAH） 效應、軸子絕緣體（AI）等。（C, D）單層MnBi₂Te₄的能帶結構及其示意圖，其中Mn原子具有半滿的d軌道，費米面附近的電子態主要由Bi/Te的p軌道貢獻。因此，在MnBi₂Te₄中，Mn和Bi/Te原子層分別提供磁性和拓撲，這兩種量子序在同一種材料中實現了完美的結合。 

　　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個理想的磁性拓撲絕緣體系統，為量子反常霍爾效應實現溫度的提高指示了一條新的道路，并可以作為研究多種拓撲物態和效應的平臺，用于探索維度、磁性、對稱性與拓撲之間相互作用以及由此演生出的新物理與新應用。此工作相關論文的預印本已引起了國際上拓撲物態、二維材料等領域研究者的廣泛關注。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），所需溫度確實要高于磁性摻雜拓撲絕緣體。

　　該項工作實驗部分論文的第一作者為清華大學物理系博士生龔演，共同通訊作者為何珂教授、薛其坤教授和徐勇副教授。理論部分論文的第一作者為清華物理系的博士生李佳恒，共同通訊作者為清華大學物理系徐勇副教授、段文暉教授和何珂教授。上述工作的合作者還包括清華大學的顧秉林教授、姚宏教授、于浦教授、王亞愚教授、張定副教授、斯坦福大學的張首晟教授、中科院物理研究所的谷林研究員等以及博士生郭景文、廖孟涵、朱科靜、李陽、杜石橋、王尊等。該工作得到國家自然科學基金、科技部、北京未來芯片技術高精尖創新中心、清華大學自主科研計劃、北京量子信息科學研究院的支持。

　　文章鏈接： 

　　http://cpl.iphy.ac.cn/10.1088/0256-307X/36/7/076801 

　　https://advances.sciencemag.org/content/5/6/eaaw5685