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本征磁性拓扑绝缘子的量子异常霍尔效应

非平整带拓扑可以与磁性拓扑绝缘体中的磁阶结合以产生异质状态的物质,例如量子异常霍尔(QAH)绝缘体和轴突绝缘体。凝聚态物理学的目的是寻找具有有用特性的新材料,并应用量子力学对其进行研究。该领域使物理学家可以更好地了解磁体在硬盘数据存储,计算机显示器和其他技术中的用途。拓扑绝缘体的最新发现引起了广泛的兴趣,研究人员预测,铁磁性和拓扑绝缘体状态之间的相互作用可以实现一系列在基础物理学和设备应用中感兴趣的奇特量子磁性现象。

本征磁性拓扑绝缘子的量子异常霍尔效应

在一份新的报告中,邓玉军和中国物理学与量子物质物理系的一个研究小组,在具有固有磁序的薄片MnBi 2 Te 4拓扑绝缘子中探测了量子传输。铁磁性层在原子薄的MnBi 2 Te 4层状范德华晶体中彼此反平行耦合。但是,当样品中包含奇数个样品层时,该样品便成为铁磁性的。研究团队在1.4开尔文温度下观察了五层七层标本的零场QAH效应。结果使MnBi 2 Te 4成为探索具有自发破裂的外来拓扑现象的理想平台时间反演对称性。该工作现在发表在“ 科学”上。

拓扑材料明显包含拓扑受保护的量子态,这些量子态对局部窘迫具有鲁棒性。例如,在诸如碲化铋(Bi 2 Te 3)之类的拓扑绝缘体(TI)中,体带拓扑可以保证具有无间隙狄拉克色散的二维(2-D)表面态的存在。通过将磁性引入最初的时间可逆不变拓扑绝缘体(TI),科学家可以诱导其电子结构发生深刻的变化。例如,通过实验观察掺铬(Bi,Sb)2 Te 3中的QAH效应,物理学家必须精确控制非化学计量材料中多种元素的比例。对材料进行微调需要协调矛盾的需求,因此,研究人员必须仅在高达T = 2 K的温度下精确量化异常霍尔效应,远低于材料的居里温度和交换间隙。为了进一步探索丰富的拓扑现象及其潜在的应用,研究人员必须使用内禀磁性TI公司(拓扑绝缘体)有一种与生俱来的磁性为了研究在原始晶体及其拓扑影响。

在这项工作中,邓等人。在本征磁性拓扑绝缘体MnBi 2 Te 4的原子薄片中探测量子传输。该材料包含层状三元四方体化合物,其中包含四层结构(Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te)。所得的MnBi 2 Te 4晶体是固有磁性的,并且磁性源自晶体中的Mn 2+离子。他们研究了MnBi 2 Te 4薄片,以最大程度地减少平行体传导,并研究了含有奇数层的MnBi 2 Te 4薄片。

该团队首先使用助熔剂方法生长的高质量MnBi 2 Te 4晶体,通过Al 2 O 3辅助剥离获得原子薄的MnBi 2 Te 4。为此,他们将Al 2 O 3薄膜热蒸发到新制备的块状晶体表面上,用热剥离带提起块状,然后将合并的Al 2 O 3 / MnBi 2 Te 4堆叠释放到一块透明聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行显微镜检查。此后,他们将薄薄片压印在覆盖有SiO 2的硅晶片上,然后沉积Cr / Au触点进行传输测量。该团队在密闭的盒子中完成了该过程,以防止样品暴露于氧气(O 2)和水(H 2 O)中,从而减轻样品降解。然后他们广泛研究了几层样品的丰富磁态集。

邓等。他观察到五层MnBi 2 Te 4在零磁场下具有良好的QAH效应,样品质量大大提高。他们指出,外部磁场通过对准铁磁层进一步改善了量化。铁磁对准也提高了QAH效应抵抗热波动的鲁棒性。在零磁场下,他们获得的能隙超过了磁性掺杂的Ti薄膜中的能隙,尽管仍然比MnBi 2 Te 4的预期交换能隙小得多。

能隙不直接测量晶体中表面态的带隙,而是表征将电子从价态激发到导带所需的最小能量。例如,能隙和预测带隙之间的巨大差异意味着样品中的各种异常。结果,在原始的高质量MnBi 2 Te 4样品中,还有很大的空间可以进一步提高QAH效应的能级。

在施加的外部磁场使五层样品完全极化后,能隙随着磁场的增加而减小。QAH状态在实验设置中逐渐演变,从而可以窥见带隙外表面带的电子结构。邓等。从统一的角度理解研究中观察到的所有状态。接近零磁场的霍尔测量得出的栅极效率为5 x 10 10 cm -2 / V,与根据器件几何形状估算的效率非常吻合。由于MnBi 2 Te 4是层状材料,因此研究小组希望为二维材料开发的技术适用于MnBi 2 Te 4。这样,邓玉军及其同事预计,将MnBi 2 Te 4与其他磁性/超导二维材料结合起来的范德华异质结构将为进一步探索奇异的拓扑量子现象提供沃土。

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