北京理工大學(xué)團隊與合作者揭示薄層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)：磁性拓撲材料可以表現(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撲性，為實現(xiàn)新奇拓撲量子態(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)對進一步開展其拓撲及量子性質(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撲絕緣體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)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)體十大研究進展”,。主持國家基金委面上項目及中國博士后特別資助項目。
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