南科大拓扑量子物态实验/理论小组取得重要进展

来源：南方科技大学新闻网

近日，南方科技大学量子科学与工程研究院副研究员陈朝宇课题组、物理系副教授刘奇航课题组与物理系副教授刘畅课题组联合研究，发现了“半磁性拓扑绝缘体”这一崭新的物态。相关工作以题为“Half-Magnetic Topological Insulator with magnetization induced Dirac gap at selected surface”发表在顶级物理期刊《物理评论X》(Physical Review X，IF:14.385) 上。

近年来，寻找可实现较高温量子反常霍尔效应的磁性拓扑绝缘体是凝聚态物理研究的一个重要方向。磁性拓扑绝缘体是一种全新的量子态，对于某些特定磁结构的拓扑绝缘体，它可以呈现“量子反常霍尔效应”和“轴子绝缘态”。

量子反常霍尔效应是霍尔效应家族的重要成员，具有本征的量子化霍尔电导，相应的材料被称为陈绝缘体。它的体态是绝缘的，量子化电导率来自于边缘态导电电子，这种电子通道是无耗散的，可用来设计低功耗电子器件。

轴子绝缘体具有特定表面的绝缘行为，其霍尔电导和纵向电导均为零，具有半整数化表面量子反常霍尔效应和拓扑磁电效应。然而，由于缺乏合适的材料，轴子绝缘体只能通过零霍尔电导平台间接给出。如果能够找到可观测半整数量子反常霍尔效应的材料，则可以给出轴子绝缘体直观的证据。

2018年以来，一种内禀的本征反铁磁拓扑绝缘体MnBi2Te4，及MnBi2Te4-(Bi2Te3)n家族为磁性拓扑材料的研究提供了新思路。然而，通过角分辨光电子能谱仪(angle-resolved photoemission spectroscopy, ARPES)能带测量发现，MnBi2Te4、MnBi4Te7和MnBi6Te10 (n = 0, 1, 2) 表面态能带是几乎无能隙的狄拉克锥。

其中，MnBi2Te4无能隙的表面态首先由南科大物理系副教授刘畅、刘奇航和量子科学与工程研究院副研究员陈朝宇团队联合研究发现，已发表在Physical Review X上 [Yu-Jie Hao et al., Phys. Rev. X. 9, 041038 (2019)]。这使得轴子绝缘体和量子反常霍尔效应的实现遇到了挑战。目前，尽管科学家们已经通过ARPES在其他磁性拓扑材料中观测到能隙打开的现象，但能隙打开与磁性的关联未被确认。

量子科学与工程研究院副研究员陈朝宇、物理系副教授刘奇航和物理系副教授刘畅研究团队，通过进一步构建MnBi2Te4与Bi2Te3异质结，实现一种铁磁构型的拓扑绝缘体MnBi8Te13，它保持了MnBi2Te4层的拓扑性和磁性，而且具有低矫顽磁场和异质结构。通过高分辨率激光ARPES的变温测试，他们观察到MnBi8Te13表面态在铁磁相打开能隙，能隙随温度的降低而增加，并在顺磁相时关闭。这是首次在实验上观测到磁性拓扑绝缘体中磁性调控能隙打开和关闭现象（图1）。

图1 MnBi8Te13的磁性面，MnBi2Te4层的狄拉克锥（Dirac cone）能带（“X”型能带）在铁磁相打开能隙及能隙大小随温度的变化

由于MnBi8Te13特殊的超晶格结构，研究组在计算上通过设计上、下表面分别为磁性MnBi2Te4面和非磁性Bi2Te3面的非对称超晶格薄膜（图2），得到半量子化霍尔电导 (e2/2h)。这不仅为轴子绝缘体提供直接的证据，而且将有可能实现新的量子态。

图2 分别在对称和非对称结构的MnBi8Te13超晶格薄膜中实现整数量子反常霍尔效应和半整数量子反常霍尔效应

此项成果获得审稿人高度评价，被认为是有趣且重要的发现 (This is an interesting and potentially important observation)，并强烈推荐发表在PRX上 (I strongly recommend publishing this article in PRX)。物理系刘畅课题组研究助理教授路瑞娥、刘奇航课题组研究助理教授孙红义、陈朝宇课题组博士生王渊和日本广岛同步辐射中心束线科学家 Shiv Kumar为本文共同第一作者。陈朝宇、刘奇航、刘畅和日本广岛同步辐射中心束线科学家 Eike F. Schwier为本文通讯作者。南方科技大学量子科学与工程研究院和物理系为文章第一单位。本文由南科大量子研究院与物理系、日本广岛同步辐射光源实验室、南方科技大学-广东省计算科学与新材料设计重点实验室单位合作完成。

本课题的开展和完成得到了国家自然科学基金、深圳市高等专项基金、广东省创新创业团队、国家重点研发计划、深圳市科创委重点项目、广东省重点实验室、以及南科大超算中心的支持。

原文链接：

https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.011039

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