非平整帶拓撲可以與磁性拓撲絕緣體中的磁階結合以產(chǎn)生異質(zhì)狀態(tài)的物質(zhì)，例如量子異?；魻?QAH)絕緣體和軸突絕緣體。凝聚態(tài)物理學的目的是尋找具有有用特性的新材料，并應用量子力學對其進行研究。該領域使物理學家可以更好地了解磁體在硬盤數(shù)據(jù)存儲，計算機顯示器和其他技術中的用途。拓撲絕緣體的最新發(fā)現(xiàn)引起了廣泛的興趣，研究人員預測，鐵磁性和拓撲絕緣體狀態(tài)之間的相互作用可以實現(xiàn)一系列在基礎物理學和設備應用中感興趣的奇特量子磁性現(xiàn)象。

在一份新的報告中，鄧玉軍和中國物理學與量子物質(zhì)物理系的一個研究小組，在具有固有磁序的薄片MnBi 2 Te 4拓撲絕緣子中探測了量子傳輸。鐵磁性層在原子薄的MnBi 2 Te 4層狀范德華晶體中彼此反平行耦合。但是，當樣品中包含奇數(shù)個樣品層時，該樣品便成為鐵磁性的。研究團隊在1.4開爾文溫度下觀察了五層七層標本的零場QAH效應。結果使MnBi 2 Te 4成為探索具有自發(fā)破裂的外來拓撲現(xiàn)象的理想平臺時間反演對稱性。該工作現(xiàn)在發(fā)表在“ 科學”上。

拓撲材料明顯包含拓撲受保護的量子態(tài)，這些量子態(tài)對局部窘迫具有魯棒性。例如，在諸如碲化鉍(Bi 2 Te 3)之類的拓撲絕緣體(TI)中，體帶拓撲可以保證具有無間隙狄拉克色散的二維(2-D)表面態(tài)的存在。通過將磁性引入最初的時間可逆不變拓撲絕緣體(TI)，科學家可以誘導其電子結構發(fā)生深刻的變化。例如，通過實驗觀察摻鉻(Bi，Sb)2 Te 3中的QAH效應，物理學家必須精確控制非化學計量材料中多種元素的比例。對材料進行微調(diào)需要協(xié)調(diào)矛盾的需求，因此，研究人員必須僅在高達T = 2 K的溫度下精確量化異?；魻栃?，遠低于材料的居里溫度和交換間隙。為了進一步探索豐富的拓撲現(xiàn)象及其潛在的應用，研究人員必須使用內(nèi)稟磁性TI公司(拓撲絕緣體)有一種與生俱來的磁性為了研究在原始晶體及其拓撲影響。

在這項工作中，鄧等人。在本征磁性拓撲絕緣體MnBi 2 Te 4的原子薄片中探測量子傳輸。該材料包含層狀三元四方體化合物，其中包含四層結構(Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te)。所得的MnBi 2 Te 4晶體是固有磁性的，并且磁性源自晶體中的Mn 2+離子。他們研究了MnBi 2 Te 4薄片，以最大程度地減少平行體傳導，并研究了含有奇數(shù)層的MnBi 2 Te 4薄片。

該團隊首先使用助熔劑方法生長的高質(zhì)量MnBi 2 Te 4晶體，通過Al 2 O 3輔助剝離獲得原子薄的MnBi 2 Te 4。為此，他們將Al 2 O 3薄膜熱蒸發(fā)到新制備的塊狀晶體表面上，用熱剝離帶提起塊狀，然后將合并的Al 2 O 3 / MnBi 2 Te 4堆疊釋放到一塊透明聚二甲基硅氧烷(PDMS)進行顯微鏡檢查。此后，他們將薄薄片壓印在覆蓋有SiO 2的硅晶片上，然后沉積Cr / Au觸點進行傳輸測量。該團隊在密閉的盒子中完成了該過程，以防止樣品暴露于氧氣(O 2)和水(H 2 O)中，從而減輕樣品降解。然后他們廣泛研究了幾層樣品的豐富磁態(tài)集。

鄧等。他觀察到五層MnBi 2 Te 4在零磁場下具有良好的QAH效應，樣品質(zhì)量大大提高。他們指出，外部磁場通過對準鐵磁層進一步改善了量化。鐵磁對準也提高了QAH效應抵抗熱波動的魯棒性。在零磁場下，他們獲得的能隙超過了磁性摻雜的Ti薄膜中的能隙，盡管仍然比MnBi 2 Te 4的預期交換能隙小得多。

能隙不直接測量晶體中表面態(tài)的帶隙，而是表征將電子從價態(tài)激發(fā)到導帶所需的最小能量。例如，能隙和預測帶隙之間的巨大差異意味著樣品中的各種異常。結果，在原始的高質(zhì)量MnBi 2 Te 4樣品中，還有很大的空間可以進一步提高QAH效應的能級。

在施加的外部磁場使五層樣品完全極化后，能隙隨著磁場的增加而減小。QAH狀態(tài)在實驗設置中逐漸演變，從而可以窺見帶隙外表面帶的電子結構。鄧等。從統(tǒng)一的角度理解研究中觀察到的所有狀態(tài)。接近零磁場的霍爾測量得出的柵極效率為5 x 10 10 cm -2 / V，與根據(jù)器件幾何形狀估算的效率非常吻合。由于MnBi 2 Te 4是層狀材料，因此研究小組希望為二維材料開發(fā)的技術適用于MnBi 2 Te 4。這樣，鄧玉軍及其同事預計，將MnBi 2 Te 4與其他磁性/超導二維材料結合起來的范德華異質(zhì)結構將為進一步探索奇異的拓撲量子現(xiàn)象提供沃土。