物理系《科學(xué)》發(fā)文 揭示拓?fù)湔T導(dǎo)的磁性量子相變
為可能的器件應(yīng)用提供了一個(gè)理想的平臺
清華新聞網(wǎng)3月29日電 清華大學(xué)物理系的研究人員與合作者在拓?fù)浣^緣體的研究中取得重要進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了磁性摻雜拓?fù)浣^緣體中由能帶拓?fù)淞孔酉嘧兌鴮?dǎo)致的磁性量子相變,，相關(guān)成果發(fā)表在2013年3月29日出版的美國《科學(xué)》雜志上,。文章的共同第一作者為清華大學(xué)物理系的博士研究生張金松,、常翠祖和湯沛哲。該工作是由清華大學(xué)物理系王亞愚,、薛其坤,、段文暉、陳曦,，中科院物理所何珂,、馬旭村、王立莉以及清華校友,、美國賓西法尼亞州立大學(xué)的劉朝星組成的研究團(tuán)隊(duì)共同完成的,。
圖1. 不同Se含量(0 ≤ x ≤ 1)的Bi1.78Cr0.22(SexTe1-x)3薄膜在T = 1.5 K時(shí)的反常霍爾效應(yīng)曲線,。在x = 0.67附近材料發(fā)生從鐵磁到順磁的量子相變,，并伴隨著反常霍爾電阻符號的改變,。
拓?fù)浣^緣體是近年來凝聚態(tài)物理領(lǐng)域最重要的前沿研究方向之一,。在拓?fù)浣^緣體材料中，由于存在很強(qiáng)的自旋軌道耦合,，其電子結(jié)構(gòu)會(huì)呈現(xiàn)非平庸的拓?fù)涮匦?。這使得拓?fù)浣^緣體的表面存在著受拓?fù)浔Ｗo(hù)的金屬態(tài)，具有非常美妙的物理性質(zhì),，在自旋電子學(xué)和量子計(jì)算方面可能有重要的應(yīng)用前景,。在拓?fù)浣^緣體中摻雜磁性元素會(huì)破壞時(shí)間反演對稱性，從而對拓?fù)浔砻鎽B(tài)產(chǎn)生不利的影響,。另一方面,，摻雜磁性又有可能導(dǎo)致許多新奇的量子效應(yīng)，比如量子反?；魻栃?yīng)（見清華新聞網(wǎng)3月15日的報(bào)道）和鏡像磁單極子等等。拓?fù)渑c磁性的相互作用是目前拓?fù)浣^緣體領(lǐng)域備受關(guān)注的一個(gè)研究方向,，此前的工作主要集中在磁性對拓?fù)浔砻鎽B(tài)的影響上,，而較少關(guān)注電子能帶結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫再|(zhì)如何影響其磁學(xué)性質(zhì)。
圖2. Bi1.78Cr0.22(SexTe1-x)3 薄膜的磁性相圖,，揭示了隨著Se含量的增加,，在低溫下存在著一個(gè)從鐵磁態(tài)（FM）到順磁態(tài)（PM）的磁性量子相變。
在這個(gè)研究中,，該研究團(tuán)隊(duì)利用分子束外延的方法生長了高質(zhì)量的Cr（鉻元素）摻雜的Bi2(SexTe1-x)3（鉍硒碲三元化合物）拓?fù)浣^緣體薄膜,，并在低溫條件下對其磁電阻和反常霍爾效應(yīng)進(jìn)行了精密測量,。輸運(yùn)測量結(jié)果表明,，隨著Se含量的增加,，體系發(fā)生了從鐵磁態(tài)到順磁態(tài)的磁性量子相變，并同時(shí)伴隨著反?；魻栯娮璺柕母淖?。此外，在量子臨界點(diǎn)處,，能帶結(jié)構(gòu)測量發(fā)現(xiàn)了體能帶從拓?fù)浞瞧接沟酵負(fù)淦接沟牧孔酉嘧?。密度泛函理論?jì)算表明其物理機(jī)制是由于Se元素的自旋軌道耦合強(qiáng)度弱于Te元素，因此當(dāng)其含量超過一個(gè)臨界值時(shí)自旋軌道耦合強(qiáng)度不足以引起能帶反轉(zhuǎn),，從而進(jìn)入拓?fù)淦接箲B(tài),。最后，有效模型的計(jì)算顯示能帶結(jié)構(gòu)的拓?fù)湎嘧兪菍?dǎo)致磁性相變的原動(dòng)力,，即拓?fù)浞瞧接沟哪軒г诘蜏叵赂鼉A向于形成鐵磁序,，而拓?fù)淦接沟哪軒t傾向于形成順磁序。
在此項(xiàng)工作中,，該研究團(tuán)隊(duì)通過對材料組分的精確控制而改變自旋軌道耦合強(qiáng)度,，從而可以主動(dòng)調(diào)節(jié)拓?fù)浣^緣體材料能帶的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并最終誘導(dǎo)了一個(gè)磁性量子相變,。這一發(fā)現(xiàn)大大加深了人們對拓?fù)浣^緣體的拓?fù)湫再|(zhì)和磁學(xué)性質(zhì)的理解和調(diào)控能力,，為將來尋找由時(shí)間反演對稱性破缺而導(dǎo)致的奇異量子拓?fù)洮F(xiàn)象，以及可能的器件應(yīng)用提供了一個(gè)理想的平臺,。
這項(xiàng)研究的成功得益于該團(tuán)隊(duì)成員的緊密合作,，特別是在樣品生長、輸運(yùn)性質(zhì)測量和理論計(jì)算方面的有機(jī)結(jié)合,，為新穎物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和理解提供了全面而深刻的信息,。
該項(xiàng)研究得到國家自然科學(xué)基金委、科技部,、中國科學(xué)院和清華大學(xué)等的資助,。
背景鏈接：拓?fù)浣^緣體
拓?fù)浣^緣體是一種新的量子物態(tài)，為近幾年來物理學(xué)的重要科學(xué)前沿之一,。傳統(tǒng)上固體材料可以按照其導(dǎo)電性質(zhì)分為絕緣體和導(dǎo)體,，其中絕緣體材料在其費(fèi)米能級處存在著能隙，因而沒有自由載流子,；金屬材料在費(fèi)米能級處存在著有限的電子態(tài)密度,，進(jìn)而擁有自由載流子。而拓?fù)浣^緣體是一類非常特殊的絕緣體,，這類材料體內(nèi)的能帶結(jié)構(gòu)是典型的絕緣體類型,，在費(fèi)米能級處存在著能隙，然而在該類材料的表面則總是存在著穿越能隙的狄拉克型的電子態(tài),，因而導(dǎo)致其表面總是金屬性的,。拓?fù)浣^緣體這一特殊的電子結(jié)構(gòu)是由其能帶結(jié)構(gòu)的特殊拓?fù)湫再|(zhì)所決定的,。
拓?fù)浣^緣體的發(fā)現(xiàn)和研究從根本上改變了人們對固體材料電子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，展示了能帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的美妙性質(zhì),。目前拓?fù)浣^緣體研究的前沿方向包括拓?fù)浣^緣體與磁性材料和超導(dǎo)材料的復(fù)合體系中可能存在的新奇量子現(xiàn)象及其在自旋電子學(xué)和拓?fù)淞孔佑?jì)算方面的可能應(yīng)用,。
供稿 ：物理系 編輯：欣研 顧淑霞
