物理系在拓扑绝缘体的磁性量子相变研究方面取得进展

 

近年来发现的磁性拓扑绝缘体材料中蕴含着以量子反常霍尔效应为代表的丰富物理现象,然而其中磁有序的机制及调控手段还有待深入研究。特别是如果能够在场效应晶体管器件中利用栅极电场对磁性进行原位调整,对于拓扑绝缘体在自旋电子学中的应用具有重要意义。

最近,物理系低维量子物理国家重点实验室的博士研究生张祚成、冯硝等在导师王亚愚、何珂、薛其坤的指导下,利用分子束外延技术生长了高质量的Cr掺杂Bi2(SexTe1-x)3拓扑绝缘体薄膜。此前该研究组的实验结果表明,通过改变Se和Te掺杂浓度的比例,该系统可以实现从顺磁态到铁磁态的量子相变。在这个工作中,他们将该系列薄膜制备成场效应晶体管器件(如下图左所示),并研究了低温下反常霍尔效应随栅极电压的变化。他们的实验结果发现,当该磁性拓扑绝缘体系统接近掺杂的量子临界点时(Se的含量约为0.67),外加栅极电场即可引起从铁磁到顺磁的量子相变(如下图右所示)。然而当该系统远离量子临界点时,栅极电场无法对磁性产生有效影响。

为了理解该现象的物理机制,他们与斯坦福大学的王靖和张首晟等合作。理论分析表明,当该磁性拓扑绝缘体接近量子临界点时,外加栅极电场通过斯塔克效应(Stark effect)可以改变体系中能级的相对位置,从而使得原本反转的拓扑能带结构变成平庸的能带结构。由于拓扑绝缘体中能带的拓扑性质对磁性具有重要的影响,这个电场引起的拓扑量子相变可以进而导致该体系发生从铁磁到顺磁的磁性量子相变。

 

 

该项工作展示了外加栅极电场可以原位调控磁性拓扑绝缘体的能带拓扑结构并引起一个磁性量子相变。这进一步揭示了拓扑绝缘体中磁性和拓扑的紧密关联,并为制备基于磁性拓扑绝缘体材料的自旋电子学器件提供了物理基础。该研究成果以“Magnetic quantum phase transition in Cr-doped Bi2(SexTe1-x)3 driven by the Stark effect”为题发表在8月7日的Nature Nanotechnology上。该项工作得到了国家自然科学基金委、科技部和北京市未来芯片技术高精尖创新中心的支持。