南科大物理系刘奇航课题组在磁性拓扑绝缘体领域发表一系列成果
近日，我校物理系副教授刘奇航课题组与校内外课题组合作，在磁性拓扑材料及量子反常霍尔效应领域取得一系列重要进展，研究成果在Nature Communications（IF：12.19）、Physical Review Letters（IF：9.23）以及Nano Letters（IF：12.28）等期刊上发表。
量子反常霍尔效应是霍尔效应家族的重要一员，具有本征的量子化的横向电导率。实现这种功能的材料被称为陈绝缘体，是一种二维的磁性拓扑绝缘体，其拓扑态用“陈数”标定。它的体态是绝缘的，边缘态导电，并贡献了量子化的横向电导率。这些边缘态对材料中的局域无序不怎么敏感，不容易被散射，所以量子反常霍尔效应材料可用来设计低功耗的电子器件。近年来，寻找合适的量子反常霍尔效应材料一直是一个备受关注的课题。
研究表明，陈绝缘体可以通过磁性掺杂的拓扑绝缘体薄膜获得，但是这种方法产生稳定的长程铁磁序比较困难，而且产生的体能隙也比较小，导致可观测温度极低（30-100 mK）。刘奇航课题组及其合作者通过研究本征的层状磁性拓扑材料Mn-Bi-Te家族（MnBi2Te4, MnBi4Te7等），提出了一种基于超晶格结构的磁性拓扑绝缘体来实现量子反常霍尔效应的方案。
图1 Mn-Bi-Te家族。图片来自Journal of Alloys and Compounds 789, 443 (2019)
Mn-Bi-Te家族是一类层状的反铁磁拓扑绝缘体，MnBi2Te4是其母体材料，通过向MnBi2Te4（记为A）层间插入相应数量的Bi2Te3(记为B)可以得到MnBi4Te7，MnBi6Te10等（图1）。理论预测这类拓扑绝缘体的天然解理面，即（001）表面会出现磁性导致的能隙。物理系副教授刘畅课题组和量子科学与工程研究院副研究员陈朝宇课题组通过高分辨率的角分辨光电子能谱实验发现，MnBi2Te4的（001）表面出现一个拓扑保护的的狄拉克锥。针对这一奇特的实验观测，刘奇航课题组通过理论计算提出这可能是由无序导致的表面磁性重构引起的，并从对称性的角度列举了支持这种不寻常导电状态的几种可能的表面磁性结构（图2）。相关研究结果发表在Physical Review X。
图2 MnBi2Te4 [001]表面的表面态。(左)ARPES观测到的无能隙Dirac锥；(右)理论计算的不同磁构型对应的表面态
另外，之前的理论预测奇数层的MnBi2Te4会出现量子反常霍尔效应，但随后几个实验都没能清晰地观测到这一效应，其原因是需要很高的磁场来使体系成为铁磁态，而要想得到量子反常霍尔效应需要尽量地降低甚至消除对外磁场的依赖。基于这个出发点，刘奇航课题组与加州大学洛杉矶分校的倪霓课题组联合研究了Mn-Bi-Te家族的另一成员，MnBi4Te7。研究表明，Bi2Te3层可有效降低相邻两个磁层间的交换作用，MnBi4Te7中的铁磁态对外磁场的依赖比MnBi2Te4的情形降低了一个数量级，相对于MnBi2Te4的情形，MnBi4Te7向理想的量子反常霍尔效应迈进了一步。相关研究结果发表在Nature Communications。
基于对Mn-Bi-Te家族成员MnBi2Te4和MnBi4Te7拓扑性质与磁性质的研究，刘奇航课题组进一步通过有效模型和第一性原理计算指出，二维多层的Mn-Bi-Te材料可以用来实现多种拓扑相，包括时间反演对称的量子自旋霍尔效应, 时间反演破缺的量子自旋霍尔效应，以及量子反常霍尔效应。图3给出了非磁性拓扑绝缘体Bi2Te3以及铁磁性拓扑绝缘体Mn-Bi-Te家族的二维结构在磁交换场下的相图。相关研究结果发表在Physical Review Letters。
图3 拓扑相图及不同二维Mn-Bi-Te构型的拓扑相分布。灰色，黄色，淡蓝色区域分别为平庸的绝缘体，时间反演破缺的量子自旋霍尔态和量子反常霍尔态；蓝线为时间反演对称的量子自旋霍尔态
交换场为零时，也就是在图3横轴上，非磁性拓扑绝缘体Bi2Te3薄膜的拓扑数Z2随着层数表现出了0和1之间的振荡。这样的振荡依赖于由材料性质决定的具体参数。刘奇航课题组通过杂化泛函的第一性原理计算发现，对于Bi2Te3薄膜这样拓扑性的振荡存在，但是对于Bi2Se3薄膜，在能隙关闭之前，其二维薄膜都是拓扑平庸的，这与之前基于模型哈密顿量的理论预测结果不同。为了证实这一点，与刘奇航课题组合作的陈朝宇课题组以及国防科技大学的王振宇通过角分辨光电子谱的方式研究了Bi2Se3薄层的能带结构。通过掺杂In的方式，将体系的自旋轨道耦合向着减弱的方向调控，发现带隙单调增加，而不是先关闭再打开，从实验上直接证明了这个二维体系的带隙是拓扑平庸的。相关研究结果发表在Nano Letters。
这一系列的研究成果为磁性拓扑绝缘体和量子反常霍尔效应材料的设计指明了新的方向，也会刺激更多磁性拓扑材料的理论预测和实验制备。
刘奇航为几篇文章的通讯作者（共同通讯作者）。主要合作者包括南方科技大学刘畅课题组、徐虎课题组、陈朝宇课题组，国王科技大学王振宇课题组，美国加州大学洛杉矶分校的倪霓课题组，科罗拉多大学博尔德分校D. Dessau课题组等。
本课题的开展和完成得到了国家自然科学基金、广东省创新创业团队、广东省重点实验室、深圳市重点实验室以及南科大超算中心等项目的支持。
论文链接：
1. Nature Communications，磁性拓扑绝缘体MnBi4Te7的拓扑性质：
https://www.nature.com/articles/s41467-019-13814-x
2. Physical Review Letters，基于层状磁性拓扑绝缘体设计量子反常霍尔效应：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.096401
3. Nano Letters，拓扑绝缘体Bi2Se3二维薄膜的拓扑性质：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b01641