张远波团队合作成果登上Science主刊
发布时间: 2020-01-24     文章作者:     访问次数: 926

近日,我系张远波、王靖和中国科学技术大学物理系陈仙辉合作团队首次通过实验在本征磁性拓扑绝缘体锰铋碲(MnBi2Te4)中观测到量子反常霍尔效应。该研究将为未来本征材料体系中拓扑物理的研究开辟新思路。北京时间124日,有关研究成果以《本征磁性拓扑绝缘体锰铋碲中的量子反常霍尔效应》(“Quantum anomalous Hall effect in intrinsic magnetic topological insulator MnBi2Te4)为题于《科学》(Science)杂志在线发表(DOI:10.1126/science.aax8156)。

一般而言,一个材料的电阻依赖于材料的几何形状。而量子力学预言了这样一类材料,它的电阻不再依赖于材料的几何形状、缺陷等性质。任意从这种材料的薄膜上切下一块,它的纵向电阻(Rxx)为零,横向电阻(Ryx)将是一个精确的物理常数(h/e2,其中h为普朗克常数,e为基本电荷),这就是量子反常霍尔效应。一沙一世界”——一块晶体反映了这个宇宙的结构。量子反常霍尔效应正是微观电子的量子现象在宏观尺度下精确而完美的体现,也是这个真实世界奇异性的极致体现。此外,量子反常霍尔效应中无损耗的导电边缘态和量子化的电阻可能在电子学器件、精密测量方面具有应用价值,具有量子反常霍尔效应的材料体系也是实现拓扑量子计算的方案之一。

张远波课题组制备出了锰铋碲少层电输运器件,并在其高质量的五层单晶中分别观察到了量子反常霍尔效应和常规量子霍尔效应。这也是科学家首次在单一器件里同时观测到量子反常霍尔效应和量子霍尔效应。

据介绍,实现量子反常霍尔效应的材料体系需要兼具磁性和拓扑性质, 条件非常苛刻。清华大学薛其坤团队于2013年首次在磁性原子掺杂的拓扑绝缘体薄膜中观测到量子反常霍尔效应。该材料中无损耗的导电边缘态可以在没有外部磁场的环境下存在,若被应用到电子学器件中,有望解决发热耗能等问题,推动量子材料领域革命性发展。此后,凝聚态物理学和材料学领域一直在寻找更好的材料体系,希望能够探索轴子电动力学、分数量子反常霍尔效应等全新未知的物理现象;或在更宽松的条件下实现量子反常霍尔效应,拓展其在精密测量、电子学器件方面的应用潜力。

然而,依托掺杂磁性原子的方法所得磁性拓扑绝缘体生长难度大,磁性原子虽作为磁性引入的手段,同时以杂质形式存在于材料之中,使材料质量受到限制,增加了在实验上获得高温高质量的量子反常霍尔效应的难度。直到最近,首个本征磁性拓扑绝缘体锰铋碲被理论预言并成功制备,备受研究者瞩目。该材料体系无需依赖于外来掺杂,本身兼具磁性和拓扑的双重属性,故少层的锰铋碲有可能实现高温量子反常霍尔效应。

块体的锰铋碲像石墨一样是层状的范德瓦尔斯晶体,可以机械解理成少层单晶。张远波团队从块体材料出发,运用之前在二维材料领域发展而来的技术来解理和制备器件,以探索范德瓦尔斯材料中的量子反常霍尔效应及相关的新物理。研究人员剥离获得三、四、五层锰铋碲单晶,制备了锰铋碲的少层电输运器件,并在外磁场下观测到由层间反铁磁耦合带来的丰富磁结构。

张远波团队进而将研究重点转向高质量的五层单晶,在1.4开尔文、零磁场条件下观测到量子反常霍尔效应;并且在同一块样品加入载流子后在高磁场中进一步观测到常规的量子霍尔效应。令研究团队感到惊喜的是,从块体材料出发制备的本征磁性拓扑绝缘体少层单晶的质量已经可与最好的磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜媲美,而这仅仅是对于该材料研究的起点,以锰铋碲为代表的这类范德瓦尔斯材料将为未来的研究提供更多的可能性。基于以上发现,团队将进一步探索量子反常霍尔效应以及相关的新物理。

A:少层MnBi2Te4单晶的电输运器件;B:五层MnBi2Te4的原子结构;C:五层MnBi2Te4单晶中的量子反常霍尔效应。

我系教授张远波、中国科学技术大学物理系教授陈仙辉、我系教授王靖为论文共同通讯作者,王靖教授预言了锰铋碲少层中的拓扑现象,为实验提供了理论支持,陈仙辉教授课题组和六碳科技许子寒负责块体材料生长,为实验提供了高质量单晶,张远波教授课题组从块体单晶出发制备了器件并进行了测量。我系博士生邓雨君、博士后於逸骏、中科大物理系博士生石孟竹为论文共同第一作者。

      (制图:王玥




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