北京理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)與合作者揭示薄層MnBi4Te7和MnBi6Te10磁基態(tài)
發(fā)布日期：2022-12-12 供稿：前沿交叉科學(xué)研究院 攝影：前沿交叉科學(xué)研究院
編輯：楊婧 審核：唐水源 閱讀次數(shù)：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?；魻栃?yīng),、手性馬約拉納費(fèi)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(lái)，人們對(duì)于MnBi 2n Te 3n+1體系開(kāi)展了深入系統(tǒng)的研究,，MnBi2Te4 和Bi2Te3交錯(cuò)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?shí)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(tái)。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(kāi),，這使得層間的磁耦合被大大降低,，有望在更低的磁場(chǎng)甚至是零磁場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng),。因此,，在二維極限下，揭示這兩種材料的磁基態(tài)對(duì)進(jìn)一步開(kāi)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(guó)人民大學(xué)夏天龍教授及中國(guó)科學(xué)院大學(xué)周武教授等合作，首次開(kāi)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(duì)利用黃元教授近年來(lái)發(fā)展的獨(dú)特解理技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了了對(duì)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(guò)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(guò)掃描透射電子顯微鏡（STEM）及單晶X射線衍射（SC-XRD）對(duì)晶格結(jié)構(gòu)的研究，發(fā)現(xiàn)MnBi2nTe3n+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MnBi替位缺陷（圖2. a-b）,，對(duì)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(chǎng)降溫過(guò)程,，且其偏置方向可通過(guò)外磁場(chǎng)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(guó)際頂級(jí)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(shī)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(guó)人民大學(xué)雷和暢教授等。
上述研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,、國(guó)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(shí)驗(yàn)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(cè)量/調(diào)控等方向,。在Nature Physics、Nature Communications,、Physical Review Letters等共計(jì)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（青年項(xiàng)目）,，主持國(guó)家基金委優(yōu)秀青年基金和面上項(xiàng)目，重慶市杰出青年基金項(xiàng)目,。2019年入選中科院青促會(huì)會(huì)員,，2020年入選中科院青促會(huì)數(shù)理分會(huì)理事，2020年獲中國(guó)科協(xié)“中國(guó)十大科技新銳人物”榮譽(yù)稱號(hào),，2021年獲中國(guó)發(fā)明協(xié)會(huì)發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎(jiǎng)創(chuàng)新獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)(排名第一),，2022年獲中國(guó)發(fā)明協(xié)會(huì)發(fā)明創(chuàng)業(yè)成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)（排名第二）。擔(dān)任Physical Review Letters,，Nature Communications, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Nano Letters,，《物理學(xué)報(bào)》等國(guó)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(zhǎng)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(guó)半導(dǎo)體十大研究進(jìn)展”,。主持國(guó)家基金委面上項(xiàng)目及中國(guó)博士后特別資助項(xiàng)目,。
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