日前，我系副院長劉奇航課題組與校內(nèi)外課題組合作，在磁性拓?fù)?/a>材料及量子反常霍爾效應(yīng)領(lǐng)域取得一系列重要進(jìn)展反常霍爾效應(yīng)，研究成果在（IF：12.19）、（IF：9.23）以及Nano（IF：12.28）等刊物上發(fā)表。
量子反常霍爾效應(yīng)是霍爾效應(yīng)家族的重要一員，具有本征的量子化的縱向濁度率。實(shí)現(xiàn)這些功能的材料被稱為陳絕緣體，是一種二維的磁性拓?fù)浣^緣體，其拓?fù)鋺B(tài)用“陳數(shù)”標(biāo)定。它的體態(tài)是絕緣的，邊沿態(tài)導(dǎo)電，并貢獻(xiàn)了量子化的縱向濁度率。這種邊沿態(tài)對材料中的局域無序不怎樣敏感，不容易被散射，所以量子反常霍爾效應(yīng)材料可拿來設(shè)計(jì)低幀率的電子元件。近些年來，找尋合適的量子反常霍爾效應(yīng)材料仍然是一個(gè)深受關(guān)注的課題。
研究表明，陳絕緣體可以通過磁性參雜的拓?fù)浣^緣體薄膜獲得，并且這些方式形成穩(wěn)定的長程鐵磁序比較困難，但是形成的體能隙也比較小，造成可觀測氣溫極低（30-100mK）。劉奇航課題組及其合作者通過研究本征的層狀磁性拓?fù)洳牧螹n-Bi-Te家族（,等），提出了一種基于超晶格結(jié)構(gòu)的磁性拓?fù)浣^緣體來實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的方案。
圖1Mn-Bi-Te家族。圖片來自ofand789,443(2019)
Mn-Bi-Te家族是一類層狀的反鐵磁拓?fù)浣^緣體，是其母體材料，通過向（記為A）層間插入相應(yīng)數(shù)目的(記為B)可以得到，等（圖1）。理論預(yù)測這類拓?fù)浣^緣體的天然解理面，即（001）表面會(huì)出現(xiàn)磁性造成的能隙。數(shù)學(xué)系副院長劉暢課題組和量子科學(xué)與工程研究院副研究員陳朝宇課題組通過高幀率的角區(qū)分光電子能譜實(shí)驗(yàn)發(fā)覺，的（001）表面出現(xiàn)一個(gè)拓?fù)浔Ｗo(hù)的的狄拉克錐。針對這一獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)觀測，劉奇航課題組通過理論估算提出這可能是由無序造成的表面磁性構(gòu)建造成的，并從對稱性的角度舉出了支持這些不尋常導(dǎo)電狀態(tài)的幾種可能的表面磁性結(jié)構(gòu)（圖2）。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在X。
圖2[001]表面的表面態(tài)。(左)ARPES觀測到的無能隙Dirac錐；(右)理論估算的不同磁構(gòu)象對應(yīng)的表面態(tài)
另外，之前的理論預(yù)測質(zhì)數(shù)層的會(huì)出現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)，但此后幾個(gè)實(shí)驗(yàn)都沒能清晰地觀測到這一效應(yīng)，其緣由是須要很高的磁場來使體系成為鐵磁態(tài)，而要想得到量子反常霍爾效應(yīng)須要盡量地減少甚至去除對外磁場的依賴。基于這個(gè)出發(fā)點(diǎn)，劉奇航課題組與加洲學(xué)院紐約校區(qū)的倪霓課題組聯(lián)合研究了Mn-Bi-Te家族的另一成員反常霍爾效應(yīng)，。研究表明，層可有效減少相鄰兩個(gè)磁層間的交換作用，中的鐵磁態(tài)對外磁場的依賴比的情形增加了一個(gè)數(shù)目級，相對于的情形，向理想的量子反常霍爾效應(yīng)邁入了一步。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在。
基于對Mn-Bi-Te家族成員和拓?fù)湫再|(zhì)與磁性質(zhì)的研究，劉奇航課題組進(jìn)一步通過有效模型和第一性原理估算強(qiáng)調(diào)，二維多層的Mn-Bi-Te材料可以拿來實(shí)現(xiàn)多種拓?fù)湎啵〞r(shí)間反演對稱的量子載流子霍爾效應(yīng),時(shí)間反演破缺的量子載流子霍爾效應(yīng)，以及量子反常霍爾效應(yīng)。圖3給出了非磁性拓?fù)浣^緣體以及鐵磁性拓?fù)浣^緣體Mn-Bi-Te家族的二維結(jié)構(gòu)在磁交換場下的相圖。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在。
圖3拓?fù)湎鄨D及不同二維Mn-Bi-Te構(gòu)象的拓?fù)湎喾植肌：谏咨S色區(qū)域分別為乏味的絕緣體，時(shí)間反演破缺的量子載流子霍爾態(tài)和量子反常霍爾態(tài)；藍(lán)線為時(shí)間反演對稱的量子載流子霍爾態(tài)
交換場為零時(shí)，也就是在圖3縱軸上，非磁性拓?fù)浣^緣體薄膜的拓?fù)鋽?shù)Z2隨著層數(shù)表現(xiàn)出了0和1之間的振蕩。這樣的振蕩依賴于由材料性質(zhì)決定的具體參數(shù)。劉奇航課題組通過介孔泛函的第一性原理估算發(fā)覺，對于薄膜這樣拓?fù)湫缘恼袷幋嬖冢覍τ诒∧ぃ谀芟蛾P(guān)掉之前，其三維薄膜都是拓?fù)浞ξ兜模@與之前基于模型喀什頓量的理論預(yù)測結(jié)果不同。為了否認(rèn)這一點(diǎn)，與劉奇航課題組合作的陳朝宇課題組以及國防科技學(xué)院的王振宇通過角區(qū)分光電子譜的方法研究了薄層的能帶結(jié)構(gòu)。通過參雜In的方法，將體系的載流子軌道耦合奔向減小的方向調(diào)控，發(fā)覺帶隙單調(diào)降低，而不是先關(guān)掉再打開，從實(shí)驗(yàn)上直接證明了這個(gè)二維體系的帶隙是拓?fù)浞ξ兜摹Ｏ嚓P(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Nano。
這一系列的研究成果為磁性拓?fù)浣^緣體和量子反常霍爾效應(yīng)材料的設(shè)計(jì)指明了新的方向，也會(huì)剌激更多磁性拓?fù)洳牧系睦碚擃A(yù)測和實(shí)驗(yàn)制備。
劉奇航為幾篇文章的通信作者（共同通信作者）。主要合作者包括北方科技學(xué)院劉暢課題組、徐虎課題組、陳朝宇課題組，國王科技學(xué)院王振宇課題組，日本加洲學(xué)院紐約校區(qū)的倪霓課題組，佛羅里達(dá)學(xué)院博爾德校區(qū)D.課題組等。
本課題的舉辦和完成得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)、廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、深圳市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及南工大超算中心等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
1.，磁性拓?fù)浣^緣體的拓?fù)湫再|(zhì)：
2.，基于層狀磁性拓?fù)浣^緣體設(shè)計(jì)量子反常霍爾效應(yīng)：
3.Nano，拓?fù)浣^緣體二維薄膜的拓?fù)湫再|(zhì)：
