清華新聞網(wǎng)4月18日電 自2013年清華物理系團(tuán)隊(duì)與合作者在鐵磁拓?fù)浣^緣體中發(fā)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)以來，探尋全新的量子反常霍爾系統(tǒng)始終處于凝聚態(tài)物理研究的前沿。MnBi2Te4作為首個(gè)同時(shí)具有二維結(jié)構(gòu)、本征反鐵磁序和能帶拓?fù)湫缘牧孔硬牧希谶^去幾年引起了廣泛關(guān)注。盡管在奇數(shù)和偶數(shù)層MnBi2Te4中已經(jīng)分別觀測到量子反常霍爾效應(yīng)和軸子絕緣體態(tài)，但是該體系材料和器件的質(zhì)量普遍欠佳，為更加深入的研究帶來很多挑戰(zhàn)。
過去五年間清華大學(xué)物理系王亞愚、張金松團(tuán)隊(duì)與合作者持續(xù)對MnBi2Te4體系進(jìn)行深入研究，特別是將氧化鋁薄膜引入器件制備的微納加工流程，極大提升了器件質(zhì)量和可重復(fù)性，從而可以在較大的參數(shù)空間系統(tǒng)研究反鐵磁自旋構(gòu)型對量子反常霍爾效應(yīng)的調(diào)制。相關(guān)研究成果以“反鐵磁量子反常霍爾效應(yīng)下的自旋翻轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)”（Antiferromagnetic quantum anomalous Hall effect under spin flips and flops）為題，于4月16日發(fā)表于《自然》（Nature）雜志。
圖1.（a）MnBi2Te4的晶體結(jié)構(gòu)（b）引入氧化鋁薄膜的輸運(yùn)器件構(gòu)型示意圖（c）不同溫度下，霍爾電阻和縱向電阻隨磁場系統(tǒng)變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（d）（e）根據(jù)c圖繪制的霍爾電阻率及其導(dǎo)數(shù)隨磁場的彩色圖譜，展示了與輸運(yùn)數(shù)據(jù)對應(yīng)的豐富自旋構(gòu)型
MnBi2Te4是一種典型的具有層間范德華相互作用的二維材料，其每一層結(jié)構(gòu)單元都由七個(gè)原子層（Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te）組成（圖1a）。每一層內(nèi)的Mn呈現(xiàn)鐵磁排布且磁化方向垂直于平面向外，而相鄰層間則存在反鐵磁相互作用。在外磁場下，這種二維反鐵磁有序態(tài)可能存在多種構(gòu)型，從而展現(xiàn)豐富的拓?fù)淞孔虞斶\(yùn)行為。然而此前基于MnBi2Te4的輸運(yùn)器件普遍存在較多缺陷，例如該團(tuán)隊(duì)此前發(fā)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)電子束曝光工藝中光刻膠對表面磁性的破壞。通過對此前多種器件構(gòu)型及相關(guān)物性的分析，團(tuán)隊(duì)成員意識(shí)到氧化鋁與材料的界面可能起著關(guān)鍵的作用，因此開發(fā)出一種全新的器件構(gòu)型（圖1b）。通過在樣品表面沉積一層三納米的非晶氧化鋁薄膜，不僅實(shí)現(xiàn)了光刻膠與拓?fù)浔砻鎽B(tài)的物理隔絕，而且可以顯著提升表面層的磁晶各向異性。
在通過以上新工藝制備的七層結(jié)構(gòu)單元器件中，團(tuán)隊(duì)成功獲得了零場量子化的霍爾電阻平臺(tái)，并可以在較大的柵極電壓、測量溫度以及面內(nèi)和面外磁場參數(shù)范圍對其相變行為進(jìn)行系統(tǒng)研究。圖1c展示了不同溫度下霍爾電阻和縱向電阻隨面外磁場的演化，展示了復(fù)雜而系統(tǒng)的相變行為。在溫度-磁場平面上繪制的霍爾電阻率及其導(dǎo)數(shù)的演化可以更直觀地呈現(xiàn)其相圖，如圖1d、e中的彩色圖譜所示。輸運(yùn)性質(zhì)展現(xiàn)的豐富相變行為來源于體系不同的磁構(gòu)型，包括反鐵磁（AFM）、表面自旋翻轉(zhuǎn)（SSF）、傾斜反鐵磁（cAFM）、鐵磁（FM）以及順磁（PM）。不同的磁構(gòu)型導(dǎo)致體系的能帶結(jié)構(gòu)，特別是拓?fù)潆娮討B(tài)的能隙發(fā)生顯著變化，從而對拓?fù)溥吘墤B(tài)的量子輸運(yùn)行為產(chǎn)生調(diào)制作用。為深入闡釋材料在不同磁場環(huán)境下的量子基態(tài)，團(tuán)隊(duì)成員運(yùn)用一維反鐵磁鏈模型進(jìn)行數(shù)值模擬與理論計(jì)算（圖2a和2b），與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高度契合。這一結(jié)果極大加深了研究人員對反鐵磁自旋構(gòu)型和拓?fù)淞孔虞斶\(yùn)性質(zhì)之間緊密關(guān)系的理解。
圖2.（a）（b）基于反鐵磁自旋鏈模型對七層器件在不同磁場下自旋構(gòu)型的模擬結(jié)果（c）面內(nèi)磁場對量子反常霍爾效應(yīng)的增強(qiáng)效應(yīng)（d）通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得的不同面內(nèi)磁場下的熱激發(fā)能隙（e）反鐵磁自旋鏈模型在不同面內(nèi)磁場下的模擬結(jié)果，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)定性相符
該研究的另一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是，MnBi2Te4中量子反常霍爾效應(yīng)對面內(nèi)磁場的響應(yīng)超乎預(yù)期。如圖2c所示，面內(nèi)磁場不僅可以增強(qiáng)量子反常霍爾效應(yīng)的矯頑場（或自旋翻轉(zhuǎn)磁場），而且可以顯著提升其量子化水平和平臺(tái)寬度，這與該團(tuán)隊(duì)此前在鐵磁拓?fù)浣^緣體中發(fā)現(xiàn)的面內(nèi)磁場壓制量子化行為截然相反。這一異常行為不僅反映了反鐵磁量子反常霍爾效應(yīng)的獨(dú)特機(jī)理，也顯示了其抵抗外磁場擾動(dòng)的優(yōu)勢。圖2d展示了隨著面內(nèi)磁場增加，拓?fù)浔砻鎽B(tài)熱激發(fā)能隙增大的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這一趨勢也通過自旋鏈的模擬（圖2e）得到佐證。MnBi2Te4中面內(nèi)磁場增強(qiáng)矯頑場的行為在磁性材料中極為罕見，其微觀機(jī)制還有待在后續(xù)研究中進(jìn)一步揭示。
該研究由王亞愚、張金松團(tuán)隊(duì)與中國人民大學(xué)物理系劉暢研究組合作完成，王亞愚、張金松和劉暢為論文的通訊作者。清華大學(xué)物理系博士生連梓臣和科研助理王永超為論文共同第一作者。其他合作成員包括清華大學(xué)物理系江萬軍教授、徐勇教授、董文翰博士、馬莽原博士、許良才博士、李耀鑫博士、博士生董澤昊和李曰覃，中國人民大學(xué)博士生王永謙、楊帥、付博涵，北京量子信息研究院馮洋研究員。研究得到國家自然科學(xué)基金委科學(xué)中心項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、合肥實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目、新基石研究員項(xiàng)目、北京市科技新星計(jì)劃以及清華大學(xué)物理系公共儀器平臺(tái)的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08860-z
供稿：物理系
編輯：李華山
審核：郭玲
