Nano Res.[探测]│中科院物理所高鸿钧院士课题组：揭示反铁磁拓扑绝缘体MnBi₂Te₄表面态与表面磁序的耦合

背景介绍

本征磁性拓扑绝缘体MnBi₂Te₄家族不仅具备量子反常霍尔效应(Quantum Anomalous Hall Effect)，轴子绝缘体(AxionInsulator)等丰富的物相，同时可以被层数、磁场、栅极电压、掺杂等手段精准调控，为研究磁性与拓扑耦合，以及强关联体系中的拓扑性质提供了一个重要的材料研究平台。近年来，虽然应用ARPES、输运、中子散射等多种实验手段对MnBi₂Te₄的物性进行了大量的研究，但对MnBi₂Te₄表面因交换作用而打开的拓扑能隙以及相应的边界态等方面研究仍存在争议。局域电子态表现出随磁场的响应复杂且无明显的规律性，机制尚不清楚。

成果简介

中国科学院物理研究所高鸿钧院士带领的研究团队通过系统地极低温强磁场扫描隧道显微镜（STM）研究发现，MnBi₂Te₄的表面电子态具有较强的空间不均匀性，并与材料中普遍存在的Mn-Bi反位缺陷和Bi-Te反位缺陷有关。其中，Mn-Bi反位缺陷会诱导出一个能量在费米面附近的空间局域束缚态。研究团队进一步施加垂直于样品表面的磁场并发现了Mn-Bi反位缺陷处费米面附近电子态的奇特演化行为。在弱场条件(-1.5 T到3.0 T)下，束缚态能量位置随磁场增加而线性移动,表现出典型的塞曼效应（磁矩约2.66μ_B）。随着磁场强度的进一步增大至某一临界磁场时，电子态会发生剧烈的跳变。临界磁场在磁场方向上不对称，分别位于-2.0 T和 4.0 T附近。研究团队通过基于Mills Model的Monte Carlo模拟证实，表面电子态随磁场的突变现象源自于反铁磁体磁场诱导的一种表面自旋转向相变 (surface spin flop transition)。

图文导读

图1MnBi₂Te₄单晶的原子结构与电子性质。(a) MnBi₂Te₄原子结构示意图。(b-c) MnBi₂Te₄表面形貌图。(d) MnBi₂Te₄表面原子分辨以及Bi-Te反位缺陷和Mn-Bi反位缺陷。(e) MnBi₂Te₄表面不同能量范围的隧道谱

图2 Mn-Bi反位缺陷诱导的束缚态。(a) Mn-Bi反位缺陷的STM形貌图。(b)沿(a)中白色虚线所做的一系列隧道谱。（c）Mn-Bi反位缺陷在0.3 mV能量下的map图。(d) 缺陷位上不同温度下的隧道谱。

图3Mn-Bi缺陷态在磁场下的塞曼效应。(a)缺陷态在不同磁场下的隧道谱。(b)对应于图(a)的强度图，可以更清楚直观的看到缺陷态的磁响应。(c) 通过拟合峰位得到塞曼移动的斜率，并计算得到缺陷态对应的磁矩大约为2.66 μ_B。

图4 磁场诱导的自旋转向。(a-b)不同磁场下的隧道谱以及对应的强度图。(c)左部为隧穿电导随磁场的变化率曲线，中部为最上层磁矩随磁场的变化率曲线，右部为表面两层磁矩随磁场的演化示意图。

作者简介

中国科学院物理研究所高鸿钧院士带领的N04组研究团队多年来一直致力于低维量子体系的生长制备、物性调控、理论计算与应用基础研究，取得了一系列重要研究成果。本工作高质量的MnBi₂Te₄样品由中国科技大学的陈仙辉院士团队提供。高鸿钧院士与陈辉副研究员为共同通讯作者。课题组网站：http://n04.iphy.ac.cn。

文章信息

G. Qian, M. Shi, H. Chen, et al. Spin-flop transition and Zeeman effect of defect-localized bound states in the antiferromagnetic topological insulator MnBi₂Te₄. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4685-8.

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