拓?fù)淞孔硬牧鲜墙陙砟蹜B(tài)物理領(lǐng)域的研究熱點，對未來量子器件的設(shè)計和應(yīng)用具有重要意義。

2013年，清華大學(xué)薛其坤院士和物理所呂力研究員團隊等合作，首次在拓?fù)浔∧げ牧现型ㄟ^磁性原子摻雜實現(xiàn)了量子反?；魻栃?yīng)。本征的磁性拓?fù)浣^緣體是有望實現(xiàn)高溫量子反?；魻栃?yīng)和軸子絕緣體的候選材料，但是報道的無摻雜的本征磁性拓?fù)浣^緣體材料體系非常少。MnBi2Te4是一種新型的本征層狀磁性拓?fù)洳牧?，展現(xiàn)出許多新奇的性質(zhì)，如A-type反鐵磁耦合以及量子反?；魻栃?yīng)等，已得到凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的高度關(guān)注。

近日，北京大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所、人工微結(jié)構(gòu)與介觀物理國家重點實驗室葉堉課題組與路建明課題組及中科院物理所黃元副研究員合作，首次研究了從單層到少層的MnBi2Te4在層數(shù)、溫度、外磁場等參數(shù)空間下的磁行為。該研究成果以“Odd-even layer-number effect and layer-dependent magnetic phase diagrams in MnBi2Te4” 為題在《物理評論X》（Physical ReviewX, PRX）上發(fā)表。

圖1. MnBi2Te4晶體結(jié)構(gòu)以及磁結(jié)構(gòu)。

圖1展示了MnBi2Te4的原子結(jié)構(gòu)示意圖，每個單層中包含7個原子層，形成Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te七重層（SL）。在每個SL層內(nèi)，Mn原子的磁矩鐵磁排列，而在兩個SL層之間，Mn原子磁矩反鐵磁耦合，形成A-type的反鐵磁結(jié)構(gòu)。理論計算表明MnBi2Te4的拓?fù)湫再|(zhì)隨層數(shù)有明顯的依賴關(guān)系，這可能和其A-type的反磁結(jié)構(gòu)對表面拓?fù)湫再|(zhì)的影響有關(guān)。因此，揭示MnBi2Te4磁性隨層數(shù)的變化及其磁態(tài)在外磁場、溫度下的具體演化規(guī)律對于進一步結(jié)合其拓?fù)湫再|(zhì)和磁性的研究具有重要的意義。

在這項工作中，浙江工業(yè)大學(xué)的許曉峰課題組合成了高質(zhì)量的MnBi2Te4塊材，中科院物理所黃元副研究員利用獨立發(fā)展的新型解理技術(shù)，成功制備出從單層到少層連續(xù)變化的MnBi2Te4薄層樣品。北京大學(xué)團隊通過反射磁圓二向色性譜（reflective magnetic circular dichroism，RMCD）揭示了從單層到少層的MnBi2Te4在層數(shù)、溫度、外磁場等參數(shù)空間下的磁行為，發(fā)現(xiàn)了本征磁性拓?fù)浣^緣體材料MnBi2Te4中spin-flop場隨層數(shù)變化的奇偶效應(yīng)（odd-even layer-number effect），如圖2?；诖藢嶒灛F(xiàn)象，利用一維線性鏈模型研究者得到層間交換耦合強度和磁各項異性能等基本磁參數(shù)，并詳細解釋了在各個層數(shù)下樣品自旋翻轉(zhuǎn)隨外加磁場的演化過程，以及在較厚偶數(shù)層樣品中的多步spin-flop（multistep spin-flop），揭示了表面spin-flop（surface spin flop，SSF）和塊體spin-flop（bulk spin flop，BSF）的過程。工作通過實驗結(jié)果與理論結(jié)果的對照，有望為未來進一步揭示MnBi2Te4中磁性和拓?fù)湫再|(zhì)的相互關(guān)系并利用層數(shù)、外場等調(diào)控磁性從而調(diào)控拓?fù)湫再|(zhì)的提供重要基礎(chǔ)。

圖2. 少層MnBi2Te4中磁性行為的奇偶效應(yīng)及磁演化過程。

隨著溫度升高，磁性材料經(jīng)歷反鐵磁到順磁的磁相變，通過對RMCD 信號的溫度擬合，能夠得到如圖3的層數(shù)-溫度磁相圖；在低于奈爾溫度范圍內(nèi)，利用平均場近似模擬得到各個不同層厚樣品隨溫度、外磁場下的磁相變演化，從而獲得在各個層厚下的樣品的磁場-溫度磁相圖，如圖4。實驗結(jié)果和理論計算的一致性證明了這一有限溫度模擬方法對于其他磁性材料體系也有一定的借鑒價值。在變化的外部磁場和溫度下，具有不同層數(shù)的MnBi2Te4樣品中的復(fù)雜的磁態(tài)可被用來進一步操縱該材料的相關(guān)量子態(tài)。

圖3. 單層至9層MnBi2Te4光學(xué)照片及層數(shù)、溫度依賴的磁相圖。

圖4. 少層MnBi2Te4溫度、外磁場依賴的磁相圖。

北京大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所和人工微結(jié)構(gòu)與介觀物理國家重點實驗室研究員葉堉、路建明和中國科學(xué)院物理所副研究員黃元為文章共同通訊作者，北京大學(xué)物理學(xué)院博士研究生生楊詩祺、博士后徐曉龍與本科生朱堯崢為文章共同第一作者。這一工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會等支持。

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