北京理工大學團隊與合作者揭示薄層MnBi4Te7和MnBi6Te10磁基態
發布日期：2022-12-12 供稿：前沿交叉科學研究院 攝影：前沿交叉科學研究院
編輯：楊婧 審核：唐水源 閱讀次數：磁性拓撲材料可以表現出一系列新奇的量子特性，例如量子反常霍爾效應、手性馬約拉納費米子、軸子絕緣體等，是凝聚態物理前沿研究中的材料重要體系。近年來，人們對于MnBi 2n Te 3n+1體系開展了深入系統的研究，MnBi2Te4 和Bi2Te3交錯排列的超晶格結構MnBi 2n Te 3n+1具有本征的磁性和拓撲性，為實現新奇拓撲量子態提供了具有廣闊前景的研究平臺。MnBi4Te7（ n ="""2）和MnBi6Te10（ n = 3）的磁性層MnBi2Te4分別被一層和兩層非磁性層Bi2Te3分隔開，這使得層間的磁耦合被大大降低，有望在更低的磁場甚至是零磁場下實現量子反常霍爾效應。因此，在二維極限下，揭示這兩種材料的磁基態對進一步開展其拓撲及量子性質研究具有重要意義。
近日，北京理工大學前沿交叉科學研究院黃元教授、集成電路學院徐曉龍準聘教授，與北京大學物理學院葉堉教授、中國人民大學夏天龍教授及中國科學院大學周武教授等合作，首次開展了MnBi 2n Te 3n+1 （ n ="""2，" n ="""3）材料在二維極限下的磁狀態研究。聯合研究團隊利用黃元教授近年來發展的獨特解理技術成功實現了了對塊材MnBi4Te7和MnBi6Te10的解理并獲得了從單層到多層的高質量樣品。通過反射磁圓二向色性譜（RMCD）及其他結構表征，首次揭示本征磁性拓撲絕緣體MnBi4Te7和MnBi6Te10在二維極限下鐵磁-反鐵磁共存的磁基態及其相互耦合（圖1）。
圖1. a-b MnBi6Te10少層樣品光學照片及表面形貌掃描；c少層MnBi6Te10 RMCD- μ 0 H 磁翻轉曲線；d-e 3層MnBi6Te10磁翻轉溫度依賴；f-g鐵磁-反鐵磁占比隨厚度及溫度變化。
通過掃描透射電子顯微鏡（STEM）及單晶X射線衍射（SC-XRD）對晶格結構的研究，發現MnBi2nTe3n+1（ n = 2, 3）材料在空間上存在分布廣泛的Mn占據Bi原子的MnBi替位缺陷（圖2. a-b），對其層間耦合能夠產生調制作用，甚至改變其層間磁耦合方式，最終導致了樣品中鐵磁與反鐵磁共存的磁基態（圖2）。
圖2. a-b MnBi6Te10截面STEM及元素空間掃描；c-d MnBi6Te10（及MnBi4Te7）中鐵磁與反鐵磁基態結構。
進一步研究發現，磁基態中鐵磁和反鐵磁部分存在相互耦合，產生了明顯的交換偏置效應。與傳統的交換偏置效應不同，該結構中的偏置效應的產生不需要復雜的帶場降溫過程，且其偏置方向可通過外磁場極化方向調控（圖3）。該工作為磁性材料中磁結構的精細調控提供了一種新的思路，為基于MnBi4Te7和MnBi6Te10的量子現象的研究及其應用奠定了基礎。
圖3. a-b 6層MnBi6Te中方向可變的交換偏置效應；c-f溫度依賴的交換偏置行為。
2022年12月11日，相關研究成果以“Ferromagnetic-antiferromagnetic coexisting ground state and exchange bias effects in MnBi4Te7 and MnBi6Te10” 為題發表在國際頂級期刊《自然通訊》（Nature Communications，影響因子：17.694）上；北京理工大學準聘教授徐曉龍和北京大學博士生楊詩祺為文章的共同第一作者。黃元、葉堉、周武和雷夏天龍教授為共同通訊作者，合作者還包括北京理工大學王業亮教授，北京大學楊金波教授、羅昭初研究員及中國人民大學雷和暢教授等。
上述研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金以及北京大學電子顯微鏡實驗室等支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-35184-7
附作者介紹：
黃元，北京理工大學前沿交叉科學研究院教授，博士生導師。主要研究領域集中在二維材料的制備、表征、器件加工和物性測量/調控等方向。在Nature Physics、Nature Communications、Physical Review Letters等共計發表SCI論文100余篇，其中第一作者（含共一）及通訊作者文章50余篇，論文總引用5200余次。主持國家重點研發計劃（青年項目），主持國家基金委優秀青年基金和面上項目，重慶市杰出青年基金項目。2019年入選中科院青促會會員，2020年入選中科院青促會數理分會理事，2020年獲中國科協“中國十大科技新銳人物”榮譽稱號，2021年獲中國發明協會發明創業獎創新獎二等獎(排名第一)，2022年獲中國發明協會發明創業成果獎二等獎（排名第二）。擔任Physical Review Letters，Nature Communications, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Nano Letters，《物理學報》等國內外知名期刊審稿人；擔任《物理》《Chinese Physics Letters》《InfoMat》《Materials》期刊青年編委。
徐曉龍，北京理工大學集成電路與電子學院準聘教授，特立青年學者。主要從事二維半導體的生長及器件制備以及二維磁性材料的物性研究。發表SCI論文20余篇，其中包括第一作者/通訊作者的Science，Nature Synthesis，Nature Communications，JACS，PRX，Advanced Materials等。晶圓尺寸單晶MoTe2的制備工作入選了“2021年度中國半導體十大研究進展”。主持國家基金委面上項目及中國博士后特別資助項目。
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