The Innovation | 本征磁性拓扑材料 — MnBi2Te4体系
导 读
量子反常霍尔效应即“陈绝缘体态”,与轴子绝缘体态等拓扑量子物态是凝聚态物理领域最重要的科学前沿之一。然而，实现这些拓扑量子物态所需的极低温环境已成为进一步深入研究和应用的主要障碍。文章总结了本征磁性拓扑绝缘体锰铋碲（MnBi2Te4）体系的相关工作，包括量子反常霍尔效应、轴子绝缘体态的证据，以及高陈数和高温陈绝缘体态的发现等，详细探讨在MnBi2Te4及其相关体系中进一步提高量子反常霍尔效应温度、观测和调控更多新奇拓扑量子物态的可能性。
图1 图文摘要
量子反常霍尔效应（QAHE，图2）具有无耗散的手性边缘态，在低能耗甚至无能耗电子器件方面具有极大的应用潜能。物理学家Haldane于1988年首次提出QAHE最早的理论模型，后因QAHE早期理论等工作荣获2016年诺贝尔物理学奖。2013年，薛其坤团队在磁掺杂拓扑绝缘体薄膜中首次观测到QAHE。然而，由于掺杂引起的磁不均匀性，传统磁掺杂拓扑绝缘体薄膜中的QAHE只能在极低温环境下实现，极大限制了对于QAHE的深入研究以及实际应用。范德瓦尔斯（van dar Waals）层状材料MnBi2Te4是一类本征的磁性拓扑材料，可以避免掺杂引起的磁不均匀性，为大幅度提高QAHE的工作温度带来了希望。
图2 量子反常霍尔效应示意图
2017年，西班牙Chulkov研究组基于第一性原理计算，预言MnBi2Te4薄膜与拓扑绝缘体Bi2Se3形成的异质结中可以实现QAHE。在这一工作中，MnBi2Te4被视作磁性绝缘体，通过磁性近邻效应打开拓扑绝缘体Bi2Se3表面态的能隙,从而实现QAHE。2019年， MnBi2Te4本身的拓扑性质开始被大家所关注。清华大学何珂、薛其坤团队与合作者利用分子束外延生长设备合成了MnBi2Te4薄膜，并通过角分辨光电子谱，结合理论计算，证明了该体系是一类新的磁性拓扑绝缘体。清华大学徐勇、段文晖团队与合作者基于第一性原理计算，全面研究了该体系的磁性拓扑性质，指出该体系拓扑特性与层厚奇偶性的依赖关系。南京大学张海军课题组与复旦大学王靖课题组合作，指出MnBi2Te4体系具有反铁磁轴子绝缘体态。国际方面，西班牙Chulkov研究组与合作者也报道了MnBi2Te4的磁性拓扑绝缘体性质。
范德瓦尔斯层状材料MnBi2Te4是一种本征的磁性拓扑体系。单层MnBi2Te4包含Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te七重原子层。在七重层内Mn原子形成磁矩朝向相同的铁磁序，而在七重层间为磁矩朝向相反的反铁磁序。这种独特的磁结构使MnBi2Te4可以呈现出极其丰富的拓扑量子物态（图3）：其层厚为奇数个七重层的薄膜处于QAHE相，层厚为偶数个七重层的薄膜处于轴子绝缘体相。其体态基态为反铁磁拓扑绝缘体，而在外加磁场下又可转变为最简单（只有一对外尔点）的磁性外尔半金属。丰富的拓扑物态、独特的磁结构、极易剥离的层状结构使得MnBi2Te4成为绝佳的观测和调控拓扑量子物态的平台。
图3 MnBi2Te4的晶体结构与拓扑相
目前，MnBi2Te4拓扑量子物态的实验研究已取得重要突破。复旦大学张远波、中科大陈仙辉团队与合作者在层厚为五个七重层的MnBi2Te4器件中，零磁场下观测到工作温度为1.4 K的QAHE。北京大学王健研究组与合作者在层厚为七个和八个七重层的MnBi2Te4器件中，一定外磁场下，观测到工作温度超过30 K（最高到45K）的高温陈绝缘体态（陈数为1）（图4）。
图4 MnBi2Te4体系中的QAHE
王健研究组与合作者在层厚为九个与十个七重层的MnBi2Te4器件中，一定外磁场下观测到具有两个无耗散边界态的高陈数陈绝缘体态（陈数为2），并通过控制实验证实其非朗道能级的起源（图5）。理论计算表明磁场下的铁磁MnBi2Te4块材为最简单的磁性外尔半金属，将其制备为器件后，量子限域效应使其表现为陈数受层厚调制的陈绝缘体，可具有多个无耗散导电通道。高陈数陈绝缘体的发现使得MnBi2Te4器件量子化的研究跳出了磁性拓扑绝缘体薄膜的框架，也为MnBi2Te4中存在磁性外尔半金属态的理论预测提供了间接证据。磁性外尔半金属量子限域的模型，也能很好的诠释薄层MnBi2Te4器件中施加外磁场可实现量子化的实验结果。
图5 MnBi2Te4体系中的高陈数陈绝缘体态
此外，清华大学王亚愚、张金松团队与合作者在层厚为六个七重层的MnBi2Te4器件中观测到磁场驱动的轴子绝缘体-陈绝缘体相变，进一步说明MnBi2Te4体系具有丰富且易于调节的拓扑物相（图6）。
图6 MnBi2Te4体系中的轴子绝缘体态
MnBi2Te4实际是一大类“Mn-Bi-Te”三元材料的代表，其中包括(MnBi2Te4)(Bi2Te3)n 家族，这一家族材料的层间反铁磁耦合随着Bi2Te3层数n的增加而减弱，甚至可变为铁磁结构，这将更有利于在零磁场环境下观测QAHE。同时，被预言为动态轴子绝缘体的Mn2Bi2Te5、Mn2Bi6Te11等材料也引起了人们的研究兴趣。通过磁性原子掺杂、化学掺杂、异质结构建等手段，MnBi2Te4材料家族的磁性与拓扑性质亦有望被进一步调控。因此，MnBi2Te4及其相关体系，在理论和实验上仍有极大的探索空间。
总结和展望
物理、信息科技等领域的每一次重大突破与变革都将极大地推动社会发展。当前集成电路器件在工作中不可避免的发热问题已成为制约信息技术发展的核心问题。拓扑边缘态作为拓扑量子物态可在宏观尺度上实现无耗散，即零发热的电子输运，有望用于设计、构筑基于全新原理的电子器件。在液氮温度之上，一旦实现真正意义上的受拓扑保护的无耗散拓扑边缘态，拓扑量子物态的实际应用将打开突破口。目前，本征磁性拓扑材料MnBi2Te4的拓扑量子物态研究已取得了重要突破，MnBi2Te4材料家族已展现出优良特性，为实现液氮温度以上的拓扑量子物态提供了重要平台。通过磁掺杂、化学掺杂、异质结构建等手段，MnBi2Te4及其相关体系的磁性、拓扑等性质有望进一步提升，这也为更多新奇拓扑量子物态的研究提供了一个绝佳的舞台。
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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00023-0
本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第二卷第二期将以Review发表的“Intrinsic magnetic topological insulators” (投稿: 2020-12-05；接收: 2021-03-16；在线刊出: 2021-03-22)。
DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100098
引用格式：Wang P., Ge J., Li J et al. (2021). Intrinsic magnetic topological insulators. The Innovation. 2(2),100098.
作者简介
王健，The Innovation编委，北京大学物理学院量子材料科学中心教授、博士生导师。当前研究兴趣为低维超导与拓扑材料的物性实验，具体包括：（1）低维体系中的超导特性与量子相变等；（2）拓扑材料中的量子态与电输运特性等；（3）拓扑超导与马约拉纳零能模等。
Email：jianwangphysics@pku.edu.cn
研究组主页：http://faculty.pku.edu.cn/JianWangGroup
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The Innovation 是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。往期作者（Volume 1 Issue 1 -- Volume 2 Issue 1）来自全球24个国家；每期1/3-1/4通讯作者来自海外。目前有180位编委会成员，来自21个国家；50%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，26位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus等数据库收录。
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