磁性材料中的磁电阻行为一直是自旋电子学研究中重要的前沿领域之一。例如，巨磁阻效应的发现不仅揭示了自旋相关输运的新现象，而且引起了信息技术的革命。近年来发现的拓扑绝缘体具有受拓扑保护的狄拉克型的金属表面态，其中磁性与拓扑表面态的相互作用会引起量子反常霍尔效应和镜像磁单极等新奇的拓扑量子态。具有长程铁磁序的拓扑绝缘体薄膜可以看成是两层具有不同手性的狄拉克费米子中间夹着一层铁磁体，对其磁有序态和磁阻行为的研究具有很高的学术价值和应用前景。

最近，物理系博士研究生张祚成和冯硝等在导师王亚愚、何珂和薛其坤的指导下，对具有长程铁磁序的拓扑绝缘体薄膜进行了系统的输运性质研究。他们利用分子束外延技术生长了Cr_0.15(Bi_0.1Sb_0.9)₁.₈₅Te₃拓扑绝缘体薄膜，并将其加工成场效应管结构。通过改变外加栅极电压，他们可以精确调节该器件的费米能级，进而发现了丰富而复杂的磁阻行为。特别是，当材料费米能离狄拉克点很近的时候，磁阻随着磁场增大而增大，而当材料费米能远离狄拉克点的时候，磁阻随着磁场增大而减小。这种行为与拓扑表面态的局域化理论预言相反，而与该材料中铁磁性的强度紧密相连。他们的分析表明这种复杂磁阻行为的物理机制是由拓扑引起的弱反局域化与铁磁性引起的负磁阻效应的竞争而引起的。

具有长程铁磁序的拓扑绝缘体薄膜结构示意图以及其铁磁序与磁阻随外加栅极电压的变化

这项工作揭示了拓扑绝缘体中铁磁序以及磁电阻的新行为，而利用外加电场对磁效应的原位调控为该材料在自旋电子学器件中的应用提供了便利。该研究成果以“Electrically tuned magnetic order and magnetoresistance in a topological insulator”为题发表在9月15日的Nature Communications上。