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北京理工大学团队与合作者揭示薄层MnBi4Te7和MnBi6Te10磁基态


磁性拓扑材料可以表现出一系列新奇的量子特性,例如量子反常霍尔效应、手性马约拉纳费米子、轴子绝缘体等,是凝聚态物理前沿研究中的材料重要体系。近年来,人们对于MnBi 2n Te 3n+1体系开展了深入系统的研究,MnBi2Te4 和Bi2Te3交错排列的超晶格结构MnBi 2n Te 3n+1具有本征的磁性和拓扑性,为实现新奇拓扑量子态提供了具有广阔前景的研究平台。MnBi4Te7( n ="""2)和MnBi6Te10( n = 3)的磁性层MnBi2Te4分别被一层和两层非磁性层Bi2Te3🅺分隔开,这使得层间的磁耦合被大大降低,有望在更低的磁场甚至是零磁场下实现量子反常霍尔效应。因此,在二维极限下,揭示这两种材料的磁基态对进一步开展其拓扑及量子性质研究具有重要意义。

近日,北京理工大学前沿交叉科学研究院黄元教授、集成电路学院徐晓龙准聘教授,与北京大学物理学院叶堉教授、中国人民大学夏天龙教授及中国科学院大学周武教授等合作,首次开展了MnBi 2n Te 3n+1 ( n ="""2," n ="""3)材料在二维极限下的磁状态研究。联合研究团队利用黄元教授近年来发展的独特解理技术成功实现了了对块材MnBi4Te7和MnBi6Te10的解理并获得了从单层到多层的高质量样品。通过反射磁圆二向色性谱(RMCD)及其他结构表征,首次揭示本征磁性拓扑绝缘体MnBi4Te7和MnBi6Te10在二维极限下铁磁-反铁磁共存的磁基态及其相互耦合(图1)。

图1. a-b MnBi6Te10少层样品光学照片及表面形貌扫描;c少层MnBi6Te10 RMCD- μ 0 H 磁翻转曲线;d-e 3层MnBi6Te10磁翻转温度依赖;f-g铁磁-反铁磁占比随厚度及温度变化。

通过扫描透射电子显微镜(STEM)及单晶X射线衍射(SC-XRD)对晶格结构的研究,发现MnBi2nTe3n+1( n = 2, 3)材料在空间上存在分布广泛的Mn占据Bi原子的MnBi𒆙替位缺陷(图2. a-b),对其层间耦合能够产生调制作用,甚至改变其层间磁耦合方式,最终导致了样品中铁磁与反铁磁共存的磁基态(图2)。

图2. a-b MnBi6Te10截面STEM及元素空间扫描;c-d MnBi6Te10(及MnBi4Te7)中铁磁与反铁磁基态结构。

进一步研究发现,磁基态中铁磁和反铁磁部分存在相互耦合,产生了明显的交换偏置效应。与传统的交换偏置效应不同,该结构中的偏置效应的产生不需要复杂的带场降温过程,且其偏置方向可通过外磁场极化方向调控(图3)。该工作为磁性材料中磁结构的精细调控提供了一种新的思路,为基于MnBi4Te7和MnBi6Te10的量子现象的研究及其应用奠定了基础。

图3. a-b 6层MnBi6Te中方向可变的交换偏置效应;c-f温度依赖的交换偏置行为。

2022年12月11日,相关研究成果以“Ferromagnetic-antiferromagnetic coexisting ground state and exchange bias effects in MnBi4Te7 and MnBi6Te10♐” 为题发表在国际顶级期刊《自然通讯》(Nature Communications,影响因子:17.694)上;北京理工大学准聘教授徐晓龙和北京大学博士生杨诗祺为文章的共同第一作者。黄元、叶堉、周武和雷夏天龙教授为共同通讯作者,合作者还包括北京理工大学王业亮教授,北京大学杨金波教授、罗昭初研究员及中国人民大学雷和畅教授等。

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附作者介绍:

黄元,广州理工学院大学本合理术前沿平行合理科学工程院专家教授,教授生博导。主耍科学调查的领域聚集在二维资料的化学合成、定量分析、电子器件工作和物性测试/监测等走向。在Nature Physics、Nature Communications、Physical Review Letters等共有刊登SCI文献100余篇,在这其中独一编辑(含共一)及通信编辑内容50余篇,文献总摘引5200余次。配合地方侧重点技术转型升级策划(年轻人工程内容),配合地方母股票基金投资委完善的年轻人母股票基金投资和表面上工程内容,上海市杰出贡献年轻人母股票基金投资工程内容。2020评为中科院研究所研究所青促发会员,2040年评为中科院研究所研究所青促会数理联合会执行主席,2040年获全球科协“全球六大科学新生代小人物”名誉荣誉,2023年获全球发名商会发名自主餐饮创业,奖转型升级奖2等奖(排榜独一),明年获全球发名商会发名自主餐饮创业,课题奖2等奖(排榜第一)。就职Physical Review Letters,Nature Communications, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Nano Letters,《电磁学学报》等我国外著名学术论文期刊审稿人;就职《电磁学》《Chinese Physics Letters》《InfoMat》《Materials》学术论文期刊年轻人编委。

徐晓龙,北京理工大学集成电路与电子学院准聘教授,特立青年学者。主要从事二维半导体的生长及器件制备以及二维磁性材料的物性研究。发表SCI论文20余篇,其中包括第一作者/通讯作者的Science,Nature Synthesis,Nature Communications,JACS,PRX,Advanced Materials等。晶圆尺寸单晶MoTe2𝄹的制备工作入选了“2021年度中国半导体十大研究进展”。主持国家基金委面上项目及中国博士后特别资助项目。


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