中國科大在反鐵磁量子反常霍爾效應研究中取得理論進展

　　【儀表網 研發快訊】中國科大合肥微尺度物質科學國家研究中心國際量子功能材料設計中心與物理系牛謙教授和喬振華教授團隊及合作者在反鐵磁體中預言了量子反常霍爾效應，并可通過電場等方法調控體系的陳數。相關研究成果于3月18日發表在國際學術期刊《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中觀測到了量子反常霍爾效應。2018年，中國科大陳仙輝院士與復旦大學物理系張遠波教授團隊在存在凈磁矩的5層本征磁性絕緣體MnBi?Te?中也觀測到了量子反常霍爾效應。
 

　　在上述各種方案中，鐵磁性都是不可或缺的重要因素。但鐵磁體系具有磁偶極場，影響磁疇結構，而且易受熱漲落或“雜散場”(stray field)等不利因素的干擾，影響拓撲狀態、電輸運性質、以及拓撲保護特性。相比之下，反鐵磁性材料內部沒有凈磁性，也沒有磁偶極場，對外部磁場變化不敏感，更為穩定。這種穩健性使它們在新興自旋電子學領域，尤其是反鐵磁自旋電子學中受到越來越多的關注。此外，反鐵磁材料在自然界中存量豐富，且通常具有更高的奈爾轉變溫度，有利于實現更高溫度的量子反常霍爾效應。
 

　　圖：(a)具有空間-時間反演聯合對稱性的本征反鐵磁體；(b)磁釘扎后空間-時間反演聯合對稱性破缺的反鐵磁體；(c)完全補償反鐵磁體中陳數調控的拓撲相圖。

 

　　然而，反鐵磁體中通常會出現空間-時間反演聯合對稱性(比如↓↑↓↑構型，箭頭表示自旋向上或者向下的取向)，這種對稱性禁止量子反常霍爾效應的出現。如何在凈磁化為零的反鐵磁體系中實現量子反常霍爾效應是一個難題。
 

　　針對這一挑戰，該研究團隊基于磁性拓撲絕緣體模型計算證明，當偶數層磁性拓撲絕緣體采用破壞空間-時間反演聯合對稱性的磁結構時，比如(↓↑↑↓)，布里淵區中貝里曲率的分布將不再處處為零。奇妙的是，在MnBi?Te?材料的實際參數附近，系統呈現非零的陳數(±1)，并具有可調性。通過調控垂直方向的柵極電壓或者軌道在位能，可以連續驅動系統進入不同的拓撲相，陳數可以調為|C|=1，2，3，以及陳金屬相。對于陳金屬相，在弱無序的情況下，小的費米口袋也可能會變得局域化，從而產生拓撲非平庸的安德森絕緣體。
 

　　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，當磁構型為(↓↑↑↓)時，體能隙中存在量子化的反常霍爾電導平臺。此外，當存在外部磁釘扎層時，構型↓↑↑↓的能量低于構型↓↑↓↑。因此，破壞空間-時間反演聯合對稱性的磁結構是穩定的，這與團隊的模型預期一致。同時，該工作還通過模型研究了6層反鐵磁結構，指出模型研究的結論可以推廣到多層的偶數層反鐵磁結構。進一步，通過第一性原理計算驗證了6層和8層MnBi?Te?體系中，獲得在不同磁構型下層分辨的陳數分布，指出在各種破壞空間-時間反演聯合對稱性的磁結構中，只有最外層MnBi?Te?的磁化方向一致時系統才能實現量子反常霍爾效應。在較小的壓強下，隨著層間相互作用的增強，拓撲非平庸能隙可以超過室溫能標。該研究工作也于近日發表[Phys. Rev. B 111, 115416 (2025)]。
 

　　該系列工作獲得的拓撲相圖和實驗實現方案為后續在反鐵磁體中拓撲態和電子輸運的研究提供了堅實物理基礎。
 

　　物理系2024屆博士畢業生梁紋豪和合肥微尺度物質科學國家研究中心博后李澤宇為本論文的共同第一作者。該工作得到了科技部、國家自然科學基金委、安徽省的資助。