中國(guó)科大合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心國(guó)際量子功能材料設(shè)計(jì)中心與物理系牛謙教授和喬振華教授團(tuán)隊(duì)及合作者在反鐵磁體中預(yù)言了量子反?；魻栃?yīng)，并可通過電場(chǎng)等方法調(diào)控體系的陳數(shù)。相關(guān)研究成果于3月18日發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》。
1988年，Haldane提出了量子反?；魻栃?yīng)的概念，即不施加外磁場(chǎng)的量子霍爾效應(yīng)。具有量子反常霍爾效應(yīng)的體系展示出受拓?fù)浔Ｗo(hù)的手性邊緣態(tài)，其無耗散特性使其成為構(gòu)建下一代高性能電子器件的備選體系。十幾年來，量子反?；魻栃?yīng)在實(shí)驗(yàn)方面取得了多項(xiàng)突破性進(jìn)展。2013年，基于中國(guó)科學(xué)院物理所方忠院士團(tuán)隊(duì)提出的理論方案，清華大學(xué)薛其坤院士團(tuán)隊(duì)首次在Cr摻雜的(Bi,Sb)2Te3中觀測(cè)到了量子反?；魻栃?yīng)。2018年，中國(guó)科大陳仙輝院士與復(fù)旦大學(xué)物理系張遠(yuǎn)波教授團(tuán)隊(duì)在存在凈磁矩的5層本征磁性絕緣體MnBi?Te?中也觀測(cè)到了量子反常霍爾效應(yīng)。
在上述各種方案中，鐵磁性都是不可或缺的重要因素。但鐵磁體系具有磁偶極場(chǎng)，影響磁疇結(jié)構(gòu)，而且易受熱漲落或“雜散場(chǎng)”（stray field）等不利因素的干擾，影響拓?fù)錉顟B(tài)、電輸運(yùn)性質(zhì)，以及拓?fù)浔Ｗo(hù)特性。相比之下，反鐵磁性材料內(nèi)部沒有凈磁性，也沒有磁偶極場(chǎng)，對(duì)外部磁場(chǎng)變化不敏感，更為穩(wěn)定。這種穩(wěn)健性使它們?cè)谛屡d自旋電子學(xué)領(lǐng)域，尤其是反鐵磁自旋電子學(xué)中受到越來越多的關(guān)注。此外，反鐵磁材料在自然界中存量豐富，且通常具有更高的奈爾轉(zhuǎn)變溫度，有利于實(shí)現(xiàn)更高溫度的量子反常霍爾效應(yīng)。
圖：(a)具有空間-時(shí)間反演聯(lián)合對(duì)稱性的本征反鐵磁體；(b)磁釘扎后空間-時(shí)間反演聯(lián)合對(duì)稱性破缺的反鐵磁體；(c)完全補(bǔ)償反鐵磁體中陳數(shù)調(diào)控的拓?fù)湎鄨D。
然而，反鐵磁體中通常會(huì)出現(xiàn)空間-時(shí)間反演聯(lián)合對(duì)稱性(比如↓↑↓↑構(gòu)型，箭頭表示自旋向上或者向下的取向)，這種對(duì)稱性禁止量子反?；魻栃?yīng)的出現(xiàn)。如何在凈磁化為零的反鐵磁體系中實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)是一個(gè)難題。
針對(duì)這一挑戰(zhàn)，該研究團(tuán)隊(duì)基于磁性拓?fù)浣^緣體模型計(jì)算證明，當(dāng)偶數(shù)層磁性拓?fù)浣^緣體采用破壞空間-時(shí)間反演聯(lián)合對(duì)稱性的磁結(jié)構(gòu)時(shí)，比如(↓↑↑↓)，布里淵區(qū)中貝里曲率的分布將不再處處為零。奇妙的是，在MnBi?Te?材料的實(shí)際參數(shù)附近，系統(tǒng)呈現(xiàn)非零的陳數(shù)（±1），并具有可調(diào)性。通過調(diào)控垂直方向的柵極電壓或者軌道在位能，可以連續(xù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入不同的拓?fù)湎?，陳?shù)可以調(diào)為|C|=1，2，3，以及陳金屬相。對(duì)于陳金屬相，在弱無序的情況下，小的費(fèi)米口袋也可能會(huì)變得局域化，從而產(chǎn)生拓?fù)浞瞧接沟陌驳律^緣體。
該研究團(tuán)隊(duì)還采用第一性原理計(jì)算驗(yàn)證了模型的可行性。對(duì)于四層磁性拓?fù)浣^緣體MnBi2Te4，當(dāng)磁構(gòu)型為(↓↑↑↓)時(shí)，體能隙中存在量子化的反常霍爾電導(dǎo)平臺(tái)。此外，當(dāng)存在外部磁釘扎層時(shí)，構(gòu)型↓↑↑↓的能量低于構(gòu)型↓↑↓↑。因此，破壞空間-時(shí)間反演聯(lián)合對(duì)稱性的磁結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，這與團(tuán)隊(duì)的模型預(yù)期一致。同時(shí)，該工作還通過模型研究了6層反鐵磁結(jié)構(gòu)，指出模型研究的結(jié)論可以推廣到多層的偶數(shù)層反鐵磁結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步，通過第一性原理計(jì)算驗(yàn)證了6層和8層MnBi?Te?體系中，獲得在不同磁構(gòu)型下層分辨的陳數(shù)分布，指出在各種破壞空間-時(shí)間反演聯(lián)合對(duì)稱性的磁結(jié)構(gòu)中，只有最外層MnBi?Te?的磁化方向一致時(shí)系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)。在較小的壓強(qiáng)下，隨著層間相互作用的增強(qiáng)，拓?fù)浞瞧接鼓芟犊梢猿^室溫能標(biāo)。該研究工作也于近日發(fā)表[Phys. Rev. B 111, 115416 (2025)]。
該系列工作獲得的拓?fù)湎鄨D和實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方案為后續(xù)在反鐵磁體中拓?fù)鋺B(tài)和電子輸運(yùn)的研究提供了堅(jiān)實(shí)物理基礎(chǔ)。
物理系2024屆博士畢業(yè)生梁紋豪和合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心博后李澤宇為本論文的共同第一作者。該工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、安徽省的資助。(微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心國(guó)際功能材料量子設(shè)計(jì)中心、物理系、中國(guó)科學(xué)院強(qiáng)耦合量子材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）
