中國金宝搏入口188在反鐵磁量子反常霍爾效應研究中取得理論進展
中國(guo)(guo)金宝搏入口188合肥(fei)微(wei)尺(chi)度(du)物質科學國(guo)(guo)家(jia)研(yan)究(jiu)中心國(guo)(guo)際量子(zi)功(gong)能(neng)材(cai)料設計中心與物理系牛謙教(jiao)授和(he)喬振華教(jiao)授團隊及合作者在(zai)反鐵磁體(ti)中預言了量子(zi)反常霍(huo)爾效應(ying)，并(bing)可通過電場等(deng)方法調控體(ti)系的陳數。相關研(yan)究(jiu)成果于(yu)3月(yue)18日(ri)發表在(zai)國(guo)(guo)際學術期刊《物理評論快報》。
1988年，Haldane提出了量子反常霍爾效應的概念，即不施加外磁場的量子霍爾效應。具有量子反常霍爾效應的體系展示出受拓撲保護的手性邊緣態，其無耗散特性使其成為構建下一代高性能電子器件的備選體系。十幾年來，量子反常霍爾效應在實驗方面取得了多項突破性進展。2013年，基于中國科學院物理所方忠院士團隊提出的理論方案，清華大學薛其坤院士團隊首次在Cr摻雜的(Bi,Sb)2Te3中(zhong)觀測到(dao)了(le)(le)量子反常霍(huo)爾(er)效應。2018年，中(zhong)國金宝搏入口188陳仙輝院士與(yu)復旦(dan)大學物理系(xi)張遠波(bo)教授團隊在(zai)存在(zai)凈磁矩的5層(ceng)本征磁性絕緣體MnBi?Te?中(zhong)也觀測到(dao)了(le)(le)量子反常霍(huo)爾(er)效應。
在(zai)上(shang)述各種(zhong)方案中，鐵(tie)(tie)磁(ci)(ci)性都是(shi)不可或缺的重要因(yin)素(su)。但鐵(tie)(tie)磁(ci)(ci)體系具有(you)磁(ci)(ci)偶極場(chang)(chang)，影響磁(ci)(ci)疇(chou)結構(gou)，而且易受(shou)熱漲(zhang)落或“雜散場(chang)(chang)”（stray field）等不利因(yin)素(su)的干擾，影響拓(tuo)撲狀態、電(dian)(dian)輸運(yun)性質，以(yi)及拓(tuo)撲保護(hu)特性。相(xiang)比之下，反(fan)鐵(tie)(tie)磁(ci)(ci)性材料內部沒有(you)凈磁(ci)(ci)性，也沒有(you)磁(ci)(ci)偶極場(chang)(chang)，對外(wai)部磁(ci)(ci)場(chang)(chang)變化不敏感，更為穩定。這種(zhong)穩健性使它們(men)在(zai)新興(xing)自(zi)旋(xuan)電(dian)(dian)子(zi)(zi)學領域，尤其是(shi)反(fan)鐵(tie)(tie)磁(ci)(ci)自(zi)旋(xuan)電(dian)(dian)子(zi)(zi)學中受(shou)到越來(lai)越多的關注。此外(wai)，反(fan)鐵(tie)(tie)磁(ci)(ci)材料在(zai)自(zi)然界(jie)中存量(liang)豐富，且通(tong)常(chang)具有(you)更高的奈爾轉變溫(wen)度(du)，有(you)利于實現更高溫(wen)度(du)的量(liang)子(zi)(zi)反(fan)常(chang)霍爾效應。
圖：(a)具有空(kong)間-時(shi)間反演聯合(he)對(dui)稱性的(de)(de)本征(zheng)反鐵(tie)磁(ci)體(ti)；(b)磁(ci)釘扎后(hou)空(kong)間-時(shi)間反演聯合(he)對(dui)稱性破缺的(de)(de)反鐵(tie)磁(ci)體(ti)；(c)完全補償反鐵(tie)磁(ci)體(ti)中陳數調控的(de)(de)拓撲(pu)相(xiang)圖。
然(ran)而，反鐵磁體(ti)中通常會(hui)出現空(kong)間-時(shi)間反演聯合對(dui)稱(cheng)性(比如↓↑↓↑構型(xing)，箭頭表示自旋向上或者(zhe)向下的(de)取向)，這(zhe)種對(dui)稱(cheng)性禁止(zhi)量(liang)子反常霍爾效應的(de)出現。如何(he)在凈磁化為(wei)零的(de)反鐵磁體(ti)系中實現量(liang)子反常霍爾效應是一個(ge)難(nan)題。
針對(dui)這(zhe)一挑戰，該研究團(tuan)隊基(ji)于磁性(xing)拓撲絕緣體模型(xing)計算證明，當偶數(shu)(shu)(shu)層磁性(xing)拓撲絕緣體采用破壞空(kong)間-時間反演聯合對(dui)稱性(xing)的(de)(de)磁結構時，比如(ru)(↓↑↑↓)，布(bu)里(li)(li)淵區中(zhong)貝里(li)(li)曲率(lv)的(de)(de)分布(bu)將不(bu)再(zai)處(chu)處(chu)為零(ling)。奇妙的(de)(de)是(shi)，在(zai)MnBi?Te?材料的(de)(de)實際參數(shu)(shu)(shu)附近，系統呈現非零(ling)的(de)(de)陳(chen)數(shu)(shu)(shu)（±1），并具有可調(diao)性(xing)。通(tong)過調(diao)控垂直方向的(de)(de)柵極電壓或者軌道(dao)在(zai)位能，可以(yi)連續(xu)驅動系統進入不(bu)同的(de)(de)拓撲相(xiang)，陳(chen)數(shu)(shu)(shu)可以(yi)調(diao)為|C|=1，2，3，以(yi)及陳(chen)金屬相(xiang)。對(dui)于陳(chen)金屬相(xiang)，在(zai)弱無序(xu)的(de)(de)情況下，小的(de)(de)費米口(kou)袋也可能會變得局域化，從而(er)產生拓撲非平庸的(de)(de)安德森絕緣體。
該研究團隊還采用第一性原理計算驗證了模型的可行性。對于四層磁性拓撲絕緣體MnBi2Te4，當磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)構(gou)(gou)型(xing)(xing)為(wei)(↓↑↑↓)時，體能(neng)(neng)隙中存(cun)在量(liang)子化(hua)的反常霍爾電導(dao)平臺。此外，當存(cun)在外部磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)釘扎層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)時，構(gou)(gou)型(xing)(xing)↓↑↑↓的能(neng)(neng)量(liang)低于構(gou)(gou)型(xing)(xing)↓↑↓↑。因此，破壞空間(jian)(jian)-時間(jian)(jian)反演聯(lian)合(he)對稱性(xing)的磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)結構(gou)(gou)是穩(wen)定的，這(zhe)與團隊的模(mo)(mo)型(xing)(xing)預(yu)期一致(zhi)。同時，該(gai)工作(zuo)還通過(guo)模(mo)(mo)型(xing)(xing)研(yan)究(jiu)了(le)6層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)反鐵(tie)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)結構(gou)(gou)，指(zhi)出模(mo)(mo)型(xing)(xing)研(yan)究(jiu)的結論可以(yi)推(tui)廣到多層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)的偶數層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)反鐵(tie)磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)結構(gou)(gou)。進一步(bu)，通過(guo)第一性(xing)原理計算驗證了(le)6層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)和8層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)MnBi?Te?體系(xi)中，獲得在不同磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)構(gou)(gou)型(xing)(xing)下(xia)層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)分辨的陳數分布，指(zhi)出在各種破壞空間(jian)(jian)-時間(jian)(jian)反演聯(lian)合(he)對稱性(xing)的磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)結構(gou)(gou)中，只有(you)最外層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)MnBi?Te?的磁(ci)(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)方向一致(zhi)時系(xi)統才(cai)能(neng)(neng)實(shi)現量(liang)子反常霍爾效應。在較小的壓強(qiang)下(xia)，隨著層(ceng)(ceng)(ceng)(ceng)間(jian)(jian)相(xiang)互作(zuo)用的增強(qiang)，拓撲非(fei)平庸能(neng)(neng)隙可以(yi)超過(guo)室溫能(neng)(neng)標(biao)。該(gai)研(yan)究(jiu)工作(zuo)也(ye)于近(jin)日發表(biao)[Phys. Rev. B 111, 115416 (2025)]。
該(gai)系(xi)列工作獲(huo)得的(de)拓撲(pu)相圖(tu)和實驗實現方案為后續(xu)在(zai)反鐵磁(ci)體中拓撲(pu)態和電子輸(shu)運(yun)的(de)研(yan)究提供(gong)了堅實物理基礎。
物(wu)理系2024屆博士畢業生(sheng)梁(liang)紋豪和合肥微(wei)尺度物(wu)質科學國家研究(jiu)中心博后李澤宇為本論文的共(gong)同第(di)一(yi)作(zuo)者。該工(gong)作(zuo)得到了科技(ji)部、國家自然科學基金委(wei)、安徽省的資助(zhu)。
論文鏈接：//link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.134.116603
//doi.org/10.1103/PhysRevB.111.115416
(微尺(chi)度物質科學國家研(yan)究中心國際功能材料量(liang)子(zi)設(she)計中心、物理系(xi)、中國科學院強耦合(he)量(liang)子(zi)材料重點實驗室）
