最近发现的拓扑相为自旋电子学和凝聚态物质提供了新的可能性：即使物质的绝缘状态在某些物理系统的边缘也表现出导电性。它们会产生异常的量子霍尔效应和其他相干自旋传输现象，其中散热最小化，因此可用于量子计算（量子霍尔效应）、存储芯片（SOT-MRAM）等新一代电子信息技术。其体态绝缘而表面导电的奇异性能主要来源于本征强自旋-轨道耦合。拓扑绝缘体中的低维导电态，即表面态狄拉克锥是受时间反演对称性保护而形成的。而通过破坏时间反演对称而使表面狄拉克锥产生能隙，就能是拓扑绝缘体表面和边缘态独有特点的充分展示，进而诱导出更加新颖的奇异物性。磁性掺杂正是其中非常有效而普遍的手段。
虽然TI的金属表面状态已得到证实，但TI的表面是否存在独立的自旋有序态对基础研究及应用来说是一个亟需解决的关键科学问题。徐永兵教授团队利用先进的材料制备与表征手段，系统研究材料的表面磁性以及体磁性等性能。使用基于同步加速器的X射线技术，他们首次发现在磁性Cr掺杂的Bi₂Se₃中明显增强表面磁性的明确实验观察。他们演示了一个“三步转换”模型，其中存在~15 K的温度窗口，其中TI的表面是磁性排序而体内不是。了解双磁化过程对于定义磁性TI的物理模型具有重要意义，并为在信息技术中使用它们奠定了基础。


该工作首次证实了磁性拓扑绝缘体中表面自旋有序态可独立存在。该发现将为新一代自旋电子器件的实际应用奠定基础，助力我国电子信息产业的快速发展。该成果以“Experimental Observation of Dual Magnetic States in Topological Insulators”为题，近期在线发表在Science Advances（2019; 5 : eaav2088）. 南京大学为该论文的第一单位，南京大学访问****，英国伦敦大学Royal Holloway的刘文卿教授是该论文的第一作者，南京大学的徐永兵教授、何亮教授以及UCLA的王康隆教授为该论文的共同通讯作者。该工作得到了江苏省光电信息功能材料重点实验室、江苏固态照明与节能电子学协同中心、南京大学-约克大学联合中心、国家重大科学研究计划(973项目)、国家重点研发计划量子调控与量子信息专项、国家重大科研仪器研制项目等基金项目的资助。
（电子科学与工程学院 科学技术处）