本征磁性拓扑绝缘体MnBi_(2)Te_(4)研究进展

本征磁性拓扑绝缘体非平庸拓扑态和磁有序的相互作用使其具备量子反常霍尔效应和轴子绝缘体等奇异物理性质,在低功耗拓扑自旋电子器件及拓扑量子计算等方面展现广泛应用前景.自2019年第一种本征磁性拓扑绝缘体MnBi_(2)Te_(4)在实验上被发现以来,该材料体系领域迅速吸引了大量研究者的目光,引发了研究热潮.本文将从MnBi_(2)Te_(4)基本性质出发,介绍近期本征磁性拓扑绝缘体MnBi_(2)Te_(4)的一些重要研究成果,着重阐述MnBi_2T_e4系列的量子反常霍尔效应、轴子绝缘体态和马约拉纳零能模等拓扑量子态,并列举该材料体系其他研究方向及目前存在的问题.最后,总结并展望MnBi_(2)Te_(4)的下一步研究,期望为相关领域人员的研究提供一定参考价值.

自旋-轨道耦合对磁性绝缘体磁光Kerr效应的影响

采用单原子能级跃迁模型 ,导出在同时考虑自旋交换劈裂和自旋 轨道耦合时磁光Kerr旋转的微观表达式 ,并就四能级跃迁情况 ,研究了磁光效应随原子基态及激发态能级自旋 轨道耦合常数的变化规律 .结果表明 :磁光Kerr旋转角与自旋 轨道耦合劈裂能量不成正比 ;单原子能级自旋 轨道耦合常数为正或中间激发态自旋 轨道耦合常数为负时 ,有利于提高磁光Kerr旋转 .

磁性拓扑绝缘体MnBi_(2)Te_(4)(Bi_(2)Te_(3))_(n)的扫描开尔文探针显微术研究

本征磁性拓扑绝缘体MnBi_(2)Te_(4)(Bi_(2)Te_(3))_(n)由于具有量子反常霍尔效应等新奇物理现象备受关注,该体系材料是由MnBi2Te4(MBT层)和Bi2Te3(BT层)堆叠而成的层状范德华异质结构,因其易于实验剥离,人们对它的研究兴趣由块体材料转向二维薄膜,发现其层厚奇偶性特征与磁性拓扑性质密切相关。目前未有研究表明如何分辨二维极限下材料表面的解理面类型,阻碍了此材料薄膜体系中新奇现象的深入研究。本文利用扫描开尔文探针显微术(SKPM),研究了MnBi_(2)Te_(4)(Bi_(2)Te_(3))_(n)体系解理面的表面电学性质,利用其表面电学性质分辨解理面类型,并进一步探究解理面在大气环境下的稳定性以及材料表面电势对磁性的影响。研究表明,BT层的表面电势高于MBT层,通过SKPM图可分辨MnBi_(2)Te_(4)中解理面类型。MnBi_(6)Te_(10)和MnBi_(8)Te_(13)中不同的BT层表面电势相等,其类型可结合SKPM像和AFM像进行分辨。此外,研究发现此体系材料在大气环境中长时间放置会导致BT层与MBT层的表面电势升高,同时BT层与MBT层间电势差减小。SKPM作为一种分辨解理面类型的手段为深入研究此体系薄层材料的磁性拓扑性质提供了帮助,也为研究其他范德华异质结构的表面电学性质提供了新方法和思路。

磁性金属-绝缘体颗粒薄膜

介绍了磁性金属 绝缘体颗粒薄膜的结构特征与电阻率的关系 ,评述了作为磁传感器件、高密度记录介质和读出磁头潜在应用相关的磁阻效应、巨霍尔效应、高矫顽力特性 .

强三维拓扑绝缘体与磁性拓扑绝缘体的角分辨光电子能谱学研究进展

拓扑材料的发现标志着凝聚态物理学和材料科学的又一次革命.从电学属性来说,人们不再仅仅以导电性的强弱(能隙的有无)把材料划分为导体、半导体和绝缘体,而是进一步通过系统的整体拓扑不变量把材料划分为拓扑平庸的和拓扑不平庸的.拓扑绝缘体是最早发现的拓扑非平庸系统,以负能隙的体材料和无能隙的拓扑边缘态为标志.强三维拓扑绝缘体拥有连接导带和价带的狄拉克锥拓扑表面态,而引入铁磁性会使拓扑表面态打开一个特殊的磁性能隙.这些新颖的材料在自旋电子学、非线性光学等广泛的领域有潜在的应用价值,更是将来的拓扑量子计算中不可或缺的核心材料.作为应用最广泛的一种直接观察k空间的实验手段和表面物理的重要分析工具,角分辨光电子能谱(ARPES)在拓扑材料的研究中一直处于举足轻重的地位.从拓扑绝缘体的最初发现到现在,利用ARPES研究强三维拓扑绝缘体和磁性拓扑绝缘体的文章已数以千计,不胜枚举.本文试从材料分类的角度对这两类材料的部分ARPES研究作一综述,侧重于描述利用ARPES研究此类材料的一般方法和过程,力求使读者对这一领域的研究现状有一个基本的概念.本文假定读者具有ARPES的基础知识,因此对ARPES的基本原理和系统构成不作讨论.

本征磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4电子结构的压力应变调控

由于MnBi2Te4电子结构具有对晶格常数的改变相当敏感的特性,本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对MnBi2Te4反铁磁块体的电子结构施加等体积应变调控.研究发现体系能带结构在材料等体积拉伸和压缩作用下变化灵敏,体系出现绝缘体-金属相变.特别地,当施加特定应变后导带和价带在Γ处出现交叉,体系呈零带隙状态.在此应变下仍可观察到能带反转的现象,具有非平庸的能带拓扑性质.根据不同应变下的电荷密度图,发现等体积应变会影响体系七倍层层间距,其中等体积压缩和拉伸应变可分别增大和减小Te原子层间距,表明等体积压缩有利于降低反铁磁层间耦合.通过等体积压力应变调控,掌握了MnBi2Te4的电子结构的变化规律,这对本征磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4的物性研究和实验制备具有重要的指导意义.

磁性掺杂三维拓扑绝缘体的自旋相关光电流研究

通过圆偏振光致电流及反常圆偏振光致电流的光学实验方法,研究磁性掺杂对三维拓扑绝缘体的影响.在圆偏振光激发下,相对于未掺杂三维拓扑绝缘体Bi_(2)Te_(3),其光电流方向不变,但幅值有所减小.这是由于磁性掺杂使得三维拓扑绝缘体狄拉克能带带隙打开,相同激发条件下,带间激发概率降低,光生自旋极化载流子浓度降低.对其光电导信号的分析则进一步表明,磁性掺杂使得拓扑绝缘体对激发光的吸收大大降低,进而限制了光电流的产生.此外,磁性掺杂三维拓扑绝缘体所产生的反常圆偏振光致电流随着发光位置发生了三次反向,这是由于磁性掺杂三维拓扑绝缘体的上下表面态分别贡献了方向相反的光电流,通过拟合,分离了上下表面态各自的贡献.

反铁磁轴子绝缘体候选材料EuIn_(2)As_(2)的表面原子排布和电子结构

非平庸的能带拓扑性与磁性结合可以产生丰富的量子现象,包括量子反常霍尔效应、轴子绝缘体态等.不同于磁性掺杂和异质结方案,内禀磁性拓扑绝缘体避免了掺杂带来的无序,且制备工艺通常比异质结更加简单,因此对研究和利用磁性拓扑绝缘体都有重要的意义.最近,EuIn_(2)As_(2)被认为是内禀反铁磁轴子绝缘体,本文使用低温扫描隧道显微镜研究了它的解理表面的原子排布和电子结构.结合原子分辨形貌图、晶格对称性分析以及局域态密度等信息,认为观测到的表面条纹结构来源于Eu截止面50%覆盖度的1×2表面重构.通过条纹面的局域态密度测量,发现4 K时费米能附近态密度存在非对称的谷-峰特征,该特征随温度升高逐渐变弱,在反铁磁相变温度以上完全消失,表明其与反铁磁序密切相关.此外,在某些台阶附近,伴随有少量迷宫状的结构,进一步分析认为可能是Eu原子形成的翘曲结构导致的.这些结果为理解EuIn_(2)As_(2)的表面能带结构和拓扑性质提供了重要信息.

磁性拓扑绝缘体中的量子化反常霍尔效应——无需外磁场的量子化霍尔效应

文章从平常霍尔效应出发,介绍了反常霍尔效应及其内秉物理机制,并在此基础上介绍了其量子化版本——量子化反常霍尔效应.然后从拓扑有序态的角度,重点讨论了量子化反常霍尔效应与量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应、拓扑绝缘体等之间的区别与内在联系.最后介绍了通过在拓扑绝缘体(Bi2Se3,Bi2Te3和Sb2Te3)薄膜中掺杂过渡金属元素(Cr或Fe)实现量子化反常霍尔效应的方法.

从磁性掺杂拓扑绝缘体到内禀磁性拓扑绝缘体——通往高温量子反常霍尔效应之路

量子反常霍尔效应被认为是已知的拓扑量子效应中最有希望获得广泛实际应用的一个。阻碍其应用的主要障碍是其很低的实现温度。文章介绍了在磁性拓扑绝缘体中量子反常霍尔效应的机理和决定其实现温度的因素,回顾了过去几年在提高量子反常霍尔效应实现温度方面的研究进展,尤其是最近内禀磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4的相关工作。在此基础上提出在磁性拓扑绝缘体系统中进一步提高量子反常霍尔效应温度的路线图。

低维磁性拓扑绝缘体与拓扑半金属

磁性与拓扑性之间复杂的相互作用引起了越来越多的关注.磁性拓扑材料展示了多种新奇的物理效应,有望应用于未来低功耗高速自旋电子学器件.本文从量子霍尔效应出发,回顾了磁性拓扑材料,包括陈绝缘体、反铁磁拓扑绝缘体、磁性外尔半金属及其他磁性拓扑态等在理论与实验上的进展,并详细介绍了我们课题组最近几年在磁性拓扑材料方面的理论工作.这些工作不仅增进了对磁性拓扑态分类的理解,也提供了实验上可能实现的材料体系.

层状磁性拓扑绝缘体VBi_(2)Te_(4)的第一性原理研究

层状磁性拓扑绝缘体MnBi_(2)Te_(4)的发现为探索新颖的量子现象(例如,量子反常霍尔效应和轴子绝缘态等)提供了新的契机。本文利用第一性原理软件VASP系统研究了与MnBi_(2)Te_(4)具有相同构型的新型磁性材料VBi_(2)Te_(4)的磁学、电学以及拓扑特性。研究结果发现VBi_(2)Te_(4)可以稳定存在,并且该材料可以很容易剥离至单层。计算结果表明块体VBi_(2)Te_(4)的层间耦合为反铁磁排列,当不考虑自旋轨道耦合作用时,该体系具有约为0.7 eV的能隙;而考虑自旋轨道耦合作用后,体系的能隙变为0.12 eV且伴随有能带的翻转。进一步的拓扑不变量(Z_(2))和边界态计算表明反铁磁VBi_(2)Te_(4)是三维磁性拓扑绝缘体。对于块体铁磁的VBi_(2)Te_(4),当不考虑自旋轨道耦合作用时,体系的能隙约为0.66 eV;同样地,自旋轨道耦合作用可以引起能带的翻转。随后的边界态计算证明铁磁的VBi_(2)Te_(4)也具有拓扑特性。该研究工作表明,与层状磁性拓扑绝缘体MnBi_(2)Te_(4)一样,磁性VBi_(2)Te_(4)块体材料也具有拓扑特性,其有望来实现各种有趣的拓扑量子态。

不连续Fe_(25)Ni_(75)/SiO_2多层膜的微结构和隧道磁电阻效应

用射频磁控溅射技术制备了[SiO2(t1)/Fe25Ni75(t2)]N多层膜系列(其中t1和t2分别代SiO2层和Fe25Ni75层的厚度,N代表层数).研究发现,对[SiO2(3.3nm)/Fe25Ni75(t2)]10系统,当Fe25Ni75层厚度小于2.4nm时,Fe25Ni75层从连续变为不连续;当Fe25Ni75层不连续时,InR基本上正比于T-1/2,表明导电机制为热激发的隧穿导电;在t2=2.1nm时,隧道磁电阻(TMR)有极大值,为-0.64%.对[SiO2(1.8nm)/Fe25Ni75(1.6nm)]N系统,发现磁电阻先随着层数的增加而增加,然后趋于饱和.

二维磁性材料的第一性原理计算

二维磁性材料具有低维体系独特的电子特性、丰富的可调控特性和优异的磁响应性质,在逻辑计算、信息存储等领域具有广阔的应用前景.自从实验上成功合成原子层厚度的具有本征磁性的二维层状材料CrGeTe3和CrI3以来,二维磁性材料得到了理论计算和实验上的广泛关注.第一性原理计算能够预言材料的结构和性质、辅助实验探索物理现象本质并可进一步设计具有优异性能的新材料.本文首先介绍了磁性材料的基础理论和第一性原理计算方法,接着结合四类典型的二维磁性材料介绍理论计算的研究进展,包括二维磁性绝缘体CrGeTe3和CrI3、二维磁性金属Fe3GeTe2、二维内禀磁性拓扑材料MnBi2Te4和二维高温量子反常霍尔绝缘体LiFeSe.最后对二维磁性材料的第一性原理研究的未来发展方向作了展望.

拓扑量子材料简介

近20年来,拓扑量子物态和材料已成为凝聚态物理领域最为重要、发展最快的前沿领域之一。文章简单回顾这一领域的研究进展,介绍包括拓扑材料体系、磁性拓扑材料、拓扑超导体及相关物理。这些材料涉及的研究范畴广泛,未来可能推动电子学、自旋电子学、光学等各个方向的基础研究和产业发展。