清华大学物理系研究团队发现内禀磁性拓扑绝缘体
清华新闻网6月20日电 近日，清华大学物理系何珂、薛其坤等人的实验研究团队和徐勇、段文晖等人的理论研究团队合作首次发现了一种内禀磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4，为提升量子反常霍尔效应的温度开辟了一条新的道路，并为多种新奇拓扑量子物态和效应的研究提供了一个理想平台。此项研究相关实验结果以《内禀磁性拓扑绝缘体的实验实现》（“Experimental realization of an intrinsic magnetic topological insulator”）为题发表于日前出版的《中国物理快报》（Chinese Physics Letters）上；相关理论结果以《MnBi2Te4家族范德瓦尔斯层状材料中的内禀磁性拓扑绝缘体》（“Intrinsic magnetic topological insulators in van der Waals layered MnBi2Te4-family materials”）为题发表于日前出版的《科学·进展》（Science Advances）上。
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高度无序及电、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。
图1. 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。（A）高分辨电子显微镜图显示了MnBi2Te4特征性的“七层”结构；（B）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；（C）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。
清华大学物理系何珂、薛其坤等人的实验研究团队和徐勇、段文晖等人的理论研究团队合作首次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和MnTe的方法制备出了这种材料的单晶薄膜，其特征的“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（图1）。结合磁性测量结果和第一原理计算他们发现这种材料的体相是一种反铁磁拓扑绝缘体：Mn原子的磁矩在每个“七层”内铁磁排列，在“七层”之间反铁磁排列。理论计算结果发现这种独特的磁结构会使这种材料显示极其丰富的、性能优异的拓扑量子物态：其层厚为奇数“七层”的薄膜处于量子反常霍尔相，层厚为偶数“七层”的薄膜处于轴子绝缘体相（axion insulator）并呈现拓扑磁电效应，三维体相是追寻已久的具有拓扑轴子表面态的反铁磁拓扑绝缘体，在外加磁场下又可转变为最简单（只有一对外尔点）的磁性外尔半金属（图2）。此外，磁性可以在这种材料的拓扑表面态上可以打开高达52meV的能隙，这意味着其有可能在更高温度下实现量子反常霍尔效应等量子效应。
图2. 内禀磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4理论计算结果。（A）单层MnBi2Te4 的晶体结构，对Mn元素进行替换可生成一大类MBi2Te4相关材料。（B）通过维度与磁性调控，MnBi2Te4家族材料能实现丰富的拓扑物相，包括反铁磁拓扑绝缘体（AFM TI）、外尔半金属（WSM）、量子反常霍尔 （QAH） 效应、轴子绝缘体（AI）等。（C, D）单层MnBi2Te4的能带结构及其示意图，其中Mn原子具有半满的d轨道，费米面附近的电子态主要由Bi/Te的p轨道贡献。因此，在MnBi2Te4中，Mn和Bi/Te原子层分别提供磁性和拓扑，这两种量子序在同一种材料中实现了完美的结合。
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个理想的磁性拓扑绝缘体系统，为量子反常霍尔效应实现温度的提高指示了一条新的道路，并可以作为研究多种拓扑物态和效应的平台，用于探索维度、磁性、对称性与拓扑之间相互作用以及由此演生出的新物理与新应用。此工作相关论文的预印本已引起了国际上拓扑物态、二维材料等领域研究者的广泛关注。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），所需温度确实要高于磁性掺杂拓扑绝缘体。
该项工作实验部分论文的第一作者为清华大学物理系博士生龚演，共同通讯作者为何珂教授、薛其坤教授和徐勇副教授。理论部分论文的第一作者为清华物理系的博士生李佳恒，共同通讯作者为清华大学物理系徐勇副教授、段文晖教授和何珂教授。上述工作的合作者还包括清华大学的顾秉林教授、姚宏教授、于浦教授、王亚愚教授、张定副教授、斯坦福大学的张首晟教授、中科院物理研究所的谷林研究员等以及博士生郭景文、廖孟涵、朱科静、李阳、杜石桥、王尊等。该工作得到国家自然科学基金、科技部、北京未来芯片技术高精尖创新中心、清华大学自主科研计划、北京量子信息科学研究院的支持。
文章链接：
http://cpl.iphy.ac.cn/10.1088/0256-307X/36/7/076801
https://advances.sciencemag.org/content/5/6/eaaw5685
供稿：物理系
编辑：李华山
审核：周襄楠
2019年06月20日 13:51:38 清华新闻网
