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近年來,本征二維磁性拓撲絕緣體受到了廣泛的關注,特別是在錳铋碲(MnBi2Te4)材料中觀測到了許多新奇量子現象,如陳絕緣體、軸子絕緣體等,爲未來信息電子器件的設計提供了新的契機。相較MnBi2Te4材料,MnSb2Te4材料的制備窗口更大,此前研究發現Mn(錳)和Sb(銻)原子的替位濃度會隨著生長條件的不同而不同,進而改變材料的磁基態。因此,在二維極限下,揭示鐵磁和反鐵磁的MnSb2Te4材料在層數、溫度、外磁場參數空間下的磁狀態,對進一步開展其拓撲性質研究具有重要意義。

北京理工大學前沿交叉研究院黃元教授與北京大學物理學院葉堉研究員、中國人民大學物理系雷和暢教授等合作,首次開展了MnSb2Te4材料在二維極限下的研究。聯合研究團隊利用黃元教授近年來發展的獨特的解理方法分別對反鐵磁相和鐵磁相的塊材MnSb2Te4進行減薄,獲得不同層數的薄層樣品(圖1),並通過反射磁圓二向色性譜(RMCD)研究了樣品的磁演化。

圖1(a)MnSb2Te4原子結構圖;(b~e)少層樣品表征以及四層反鐵磁相和鐵磁相MnSb2Te4的磁演化

在反鐵磁相研究中(圖2),1~9層樣品呈現典型的A型反鐵磁行爲,體現出明顯的奇偶層數震蕩效應。在奇數層中,樣品因未補償的一層淨磁矩在零場附近出現遲滯回線,並隨磁場增加,除1層樣品外均經曆一次“自旋-翻轉”(spin-flop)過程,最後達到磁飽和態。而在偶數層中,因不再有未補償的淨磁矩,零場附近遲滯回線消失;在大于2層的樣品中,隨著磁場增大,會先經曆一次表面“自旋-翻轉”過程,達到一個共線的M2態(磁矩爲2層MnSb2Te4的靜磁矩),也就是磁矩與外磁場反平行的表面層磁矩從與磁場反平行翻轉到了與磁場平行,之後,再經曆體“自旋-翻轉”過程,最後達到磁飽和態。聯合研究團隊通過一維線性鏈模型擬合實驗數據,獲得材料的各向異性能和層間相互作用能,從理論上得到了不同層數反鐵磁樣品的磁演化過程。並發現反鐵磁相MnSb2Te4的各項異性能與相互作用能的比值略大于MnBi2Te4中的該比值,解釋了在MnBi2Te4中沒有觀測到穩定M2態的原因,由此也爲研究共線M2態下的量子輸運性質研究提供了一個材料體系。

图2 反铁磁相MnSb2Te4中層數依賴的磁演化行爲

在铁磁相研究中(图3),少层样品的磁演化与层数之间没有明显的依赖关系。相比于厚层样品,在少层样品中观察到更大的矫顽场,这可能是由磁各向异性能变大以及屏蔽作用的减小引起的。较大的各向异性能使得少层样品在低于居里温度的整个测量温度范围内一直保持单畴的行为;厚层样品随着温度升高,单畴行为难以保持,会出现明显的迷宫畴,在零场下测得畴的尺寸约为625 nm。

图3 少层铁磁相MnSb2Te4的磁演化行爲及厚層樣品中的迷宮疇

2022年1月3日,相關研究成果以“MnSb2Te4中层数依赖的反铁磁和铁磁行为”(Layer-Number-Dependent Antiferromagnetic and Ferromagnetic Behavior in MnSb2Te4)为题在线发表于国际顶级期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters,影响因子:9.161);黄元、叶堉和雷和畅为共同通讯作者,合作者还包括北京理工大学刘立巍教授、王业亮教授,北京大学高鹏研究员、杨金波教授。

上述研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金以及北京大學電子顯微鏡實驗室等支持。

原文鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.017201


附作者介紹:

黄元,北京理工大学前沿交叉科学研究院教授,博士生导师。主要研究领域集中在二维材料的制备、表征、器件加工和物性测量/调控等方向。在Nature Physics、Nature Communications、Physical Review Letters等共计发表SCI论文70余篇,其中第一作者(含共一)及通讯作者文章30余篇,论文总引用3700余次。主持国家重点研发计划(青年项目),主持国家基金委优秀青年基金和面上项目,重庆市杰出青年基金项目。2019年入选中科院青促会会员,2020年获中国科协“中国十大科技新锐人物”荣誉称号,2021年获中国发明协会发明创业奖创新奖二等奖(排名第一)。担任Physical Review Letters,Nature Communications, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Nano Letters,《物理学报》等国内外知名期刊审稿人;担任《物理》《Chinese Physics Letters》《InfoMat》《Materials》期刊青年编委。


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