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磁性拓?fù)洳牧峡梢员憩F(xiàn)出一系列新奇的量子特性,，例如量子反常霍爾效應(yīng),、手性馬約拉納費米子,、軸子絕緣體等，是凝聚態(tài)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(tǒng)的研究，MnBi₂Te₄ 和Bi₂Te₃交錯排列的超晶格結(jié)構(gòu)MnBi _2n Te _3n+1具有本征的磁性和拓?fù)湫?，為實現(xiàn)新奇拓?fù)淞孔討B(tài)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(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)。因此,，在二維極限下,，揭示這兩種材料的磁基態(tài)對進(jìn)一步開展其拓?fù)浼傲孔有再|(zhì)研究具有重要意義。

近日，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院黃元教授,、集成電路學(xué)院徐曉龍準(zhǔn)聘教授,，與北京大學(xué)物理學(xué)院葉堉教授、中國人民大學(xué)夏天龍教授及中國科學(xué)院大學(xué)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(tài)研究。聯(lián)合研究團(tuán)隊利用黃元教授近年來發(fā)展的獨特解理技術(shù)成功實現(xiàn)了了對塊材MnBi4Te7和MnBi₆Te₁₀的解理并獲得了從單層到多層的高質(zhì)量樣品,。通過反射磁圓二向色性譜（RMCD）及其他結(jié)構(gòu)表征,，首次揭示本征磁性拓?fù)浣^緣體MnBi₄Te₇和MnBi₆Te₁₀在二維極限下鐵磁-反鐵磁共存的磁基態(tài)及其相互耦合（圖1）。

圖1. a-b MnBi₆Te₁₀少層樣品光學(xué)照片及表面形貌掃描,；c少層MnBi₆Te₁₀ RMCD- μ ₀ H 磁翻轉(zhuǎn)曲線；d-e 3層MnBi₆Te₁₀磁翻轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的研究，發(fā)現(xiàn)MnBi_2nTe_3n+1（ n = 2, 3）材料在空間上存在分布廣泛的Mn占據(jù)Bi原子的Mn_Bi替位缺陷（圖2. a-b）,，對其層間耦合能夠產(chǎn)生調(diào)制作用,，甚至改變其層間磁耦合方式，最終導(dǎo)致了樣品中鐵磁與反鐵磁共存的磁基態(tài)（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(tài)結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),，磁基態(tài)中鐵磁和反鐵磁部分存在相互耦合,，產(chǎn)生了明顯的交換偏置效應(yīng)。與傳統(tǒng)的交換偏置效應(yīng)不同,，該結(jié)構(gòu)中的偏置效應(yīng)的產(chǎn)生不需要復(fù)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(diào)控（圖3）。該工作為磁性材料中磁結(jié)構(gòu)的精細(xì)調(diào)控提供了一種新的思路,，為基于MnBi₄Te₇和MnBi₆Te₁₀的量子現(xiàn)象的研究及其應(yīng)用奠定了基礎(chǔ),。

圖3. a-b 6層MnBi₆Te中方向可變的交換偏置效應(yīng)；c-f溫度依賴的交換偏置行為,。

2022年12月11日,，相關(guān)研究成果以“Ferromagnetic-antiferromagnetic coexisting ground state and exchange bias effects in MnBi₄Te₇ and MnBi₆Te₁₀” 為題發(fā)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(xué)準(zhǔn)聘教授徐曉龍和北京大學(xué)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(xué)王業(yè)亮教授，北京大學(xué)楊金波教授、羅昭初研究員及中國人民大學(xué)雷和暢教授等,。

上述研究工作得到國家重點研發(fā)計劃,、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金以及北京大學(xué)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(xué)前沿交叉科學(xué)研究院教授，博士生導(dǎo)師,。主要研究領(lǐng)域集中在二維材料的制備,、表征、器件加工和物性測量/調(diào)控等方向,。在Nature Physics,、Nature Communications、Physical Review Letters等共計發(fā)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(fā)計劃（青年項目）,，主持國家基金委優(yōu)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(shù)理分會理事,，2020年獲中國科協(xié)“中國十大科技新銳人物”榮譽(yù)稱號，2021年獲中國發(fā)明協(xié)會發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎創(chuàng)新獎二等獎(排名第一),，2022年獲中國發(fā)明協(xié)會發(fā)明創(chuàng)業(yè)成果獎二等獎（排名第二）,。擔(dān)任Physical Review Letters，Nature Communications, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Nano Letters,，《物理學(xué)報》等國內(nèi)外知名期刊審稿人,；擔(dān)任《物理》《Chinese Physics Letters》《InfoMat》《Materials》期刊青年編委。

徐曉龍,，北京理工大學(xué)集成電路與電子學(xué)院準(zhǔn)聘教授,，特立青年學(xué)者。主要從事二維半導(dǎo)體的生長及器件制備以及二維磁性材料的物性研究,。發(fā)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(dǎo)體十大研究進(jìn)展”,。主持國家基金委面上項目及中國博士后特別資助項目。