4月16日，清華大學物理系教授王亞愚，副教授張金松團隊與合作者在Nature發(fā)表最新研究成果，團隊研制出一種新型器件結(jié)構(gòu)：在9納米MnBi2Te4薄片中，揭示了豐富的反鐵磁自旋構(gòu)型對量子反?；魻栃恼{(diào)制，并首次發(fā)現(xiàn)面內(nèi)磁場可以增強量子反?；魻栃?，該研究克服了MnBi2Te4器件質(zhì)量的瓶頸，為研發(fā)未來低功耗電子器件，和推動量子技術(shù)應用提供了重要基礎。
有磁性、更干凈、可解理
為什么電子設備總發(fā)燙？其根源是芯片里的電子在“橫沖直撞”！量子反?；魻栃陌l(fā)現(xiàn)加速了解決這一問題的進程，與依賴強磁場的量子霍爾效應不同，“反?！痹谟谶x取特殊材料，實現(xiàn)在零磁場條件下電子有序運動從根本上避免了能量耗散。
2013年薛其坤院士帶領的團隊在鐵磁拓撲絕緣體中，首次觀測到量子反?；魻栃?，實現(xiàn)這一基礎科學領域的重大突破。隨著研究的不斷深入科學家們發(fā)現(xiàn)
層狀反鐵磁材料MnBi2Te4展現(xiàn)出獨特的量子特性，使其成為拓撲自旋電子學和低能耗電子器件中的理想材料。不過該體系材料和器件的質(zhì)量普遍欠佳，量子輸運性能調(diào)控機制研究仍存在顯著瓶頸。王亞愚、張金松團隊與合作者自2019年開始系統(tǒng)研究MnBi2Te4薄片的輸運行為，他們創(chuàng)新性地將氧化鋁薄膜引入MnBi2Te4器件制備的微納加工流程，極大提升了器件質(zhì)量和可重復性，實現(xiàn)在較大的參數(shù)空間，系統(tǒng)研究反鐵磁自旋構(gòu)型對量子反?；魻栃恼{(diào)制。MnBi2Te4最大的優(yōu)點在于自帶磁性、更干凈、可解理且具有拓撲非平庸的能帶結(jié)構(gòu)?；谶@些特性團隊通過調(diào)節(jié)柵極電壓和垂直磁場在覆蓋了氧化鋁薄膜的樣品中發(fā)現(xiàn)了量子相變的級聯(lián)現(xiàn)象，揭示了復雜自旋構(gòu)型對拓撲邊緣態(tài)量子輸運的影響。最新研究成果以“由自旋翻轉(zhuǎn)和傾斜調(diào)控的反鐵磁量子反?；魻栃睘轭}，于4月16日發(fā)表在《自然》（Nature）雜志MnBi2Te4+氧化鋁薄膜的器件構(gòu)型
MnBi2Te4+氧化鋁薄膜的器件構(gòu)型
（a）MnBi2Te4的晶體結(jié)構(gòu)（b）引入氧化鋁薄膜的輸運器件構(gòu)型示意圖（c）不同溫度下，霍爾電阻和縱向電阻隨磁場系統(tǒng)變化的實驗數(shù)據(jù)（d）（e）根據(jù)c圖繪制的霍爾電阻率及其導數(shù)隨磁場的彩色圖譜，展示了與輸運數(shù)據(jù)對應的豐富自旋構(gòu)型
MnBi2Te4是一種二維材料每個結(jié)構(gòu)單元，由Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te7個原子層構(gòu)成厚度接近1.4納米，由于結(jié)構(gòu)單元之間的范德華層間吸附力較弱，在實際器件制備過程中，可以通過機械解理技術(shù)，用膠帶將三維的MnBi2Te4進行撕薄，“好像把一個千層餅放在桌子上拿起來時最下面的一層餅留在了桌子上”，通過顯微鏡找到7層的樣品，厚度約9納米，“與直徑60-80微米的頭發(fā)絲相比我們的器件厚度僅為其萬分之一”團隊成員解釋道通過深入分析此前多個器件的性能，團隊意識到氧化鋁和MnBi2Te4的界面可能對量子輸運性質(zhì)具有關(guān)鍵影響，從而設計了一種新型器件結(jié)構(gòu)。在解理好的MnBi2Te4薄片的表面上沉積3納米厚的非晶氧化鋁薄膜，不僅成功實現(xiàn)了對拓撲表面態(tài)的物理保護，更重要的是顯著增強表面層的磁晶各向異性新型器件結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，在零磁場條件下即可觀測到
量子化的霍爾電阻平臺和接近零的縱向電阻這為系統(tǒng)研究量子相變行為提供了理想平臺。
（a）（b）基于反鐵磁自旋鏈模型對7層器件在不同磁場下自旋構(gòu)型的模擬結(jié)果（c）面內(nèi)磁場對量子反常霍爾效應的增強效應（d）通過實驗數(shù)據(jù)獲得的不同面內(nèi)磁場下的熱激發(fā)能隙（e）反鐵磁自旋鏈模型在不同面內(nèi)磁場下的模擬結(jié)果，與實驗數(shù)據(jù)定性相符
翻轉(zhuǎn)和傾斜：奇妙的自旋結(jié)構(gòu)
在給MnBi2Te4材料施加面內(nèi)方向的磁場時，量子反?；魻栃粌H沒被削弱反而表現(xiàn)得更好“面內(nèi)磁場增強了量子反常霍爾效應”，這與團隊之前在鐵磁拓撲絕緣體中觀察到的“面內(nèi)磁場會破壞量子化”現(xiàn)象，截然相反，這種特性充分展現(xiàn)了反鐵磁拓撲絕緣體的獨特優(yōu)勢——抵抗外界磁場干擾，即面內(nèi)磁場越大材料表面的量子“保護罩”（能隙）就越堅固，為提高MnBi2Te4中的量子反?；魻栃?，提供了一種有效的原位調(diào)節(jié)手段，并為拓撲反鐵磁自旋電子學的潛在應用，打開了新思路。研究結(jié)果表明這種“反?！毙袨樵从贛nBi?Te?所特有的拓撲結(jié)構(gòu)與反鐵磁序之間的復雜相互作用，該發(fā)現(xiàn)不僅加深了對拓撲量子物態(tài)的理解，更為設計反鐵磁自旋電子器件，提供了重要實驗基礎。該研究由王亞愚、張金松團隊與中國人民大學物理系劉暢研究組合作完成，王亞愚、張金松和劉暢為論文的通訊作者，物理系博士生連梓臣科研助理王永超為論文共同第一作者
