物理系在轴子绝缘体和陈绝缘体的研究方面取得进展

 

       近年来发现的新型本征磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4罕见地将非平庸的拓扑能带结构、二维材料的易解理性、以及本征磁性集于一身。理论预言,他们之间的相互作用能够产生丰富的拓扑量子效应,例如轴子绝缘体态(Axion Insulator)和陈绝缘体态(Chern Insulator)。陈绝缘体态以量子反常霍尔效应为典型代表,已经在磁性掺杂的拓扑绝缘体中被发现。在凝聚态体系中实现轴子绝缘体态是理论和实验物理学家的另一个重要目标。MnBi2Te4对于实现这两种拓扑量子态有着得天独厚的优势优势。MnBi2Te4由7个原子层堆垛而成,在同一层内Mn离子之间铁磁排列,而层与层之间则形成反铁磁耦合。这种特殊的磁结构使MnBi2Te4在解理到偶数层时自然就形成了轴子绝缘体所要求的磁结构。当外加磁场将反铁磁态转变为铁磁态时,MnBi2Te4则满足了陈绝缘体所要求的条件。

       最近,物理系王亚愚、张金松、徐勇和机械学院吴扬合作,研究了MnBi2Te4的量子输运行为,在该体系中实现了陈绝缘体和轴子绝缘体这两种拓扑量子态。团队成员通过机械剥离的方法将MnBi2Te4单晶撕到6层,并利用微纳加工技术在Si/SiO2衬底上制备成场效应管器件。实验发现,当费米面被调节至带隙中间,MnBi2Te4进入到轴子绝缘体和陈绝缘体存在的区间(图1a中蓝色方块区间)。在低磁场下,样品的纵向电阻高达6倍量子电阻,同时霍尔电阻表现出0级平台,这是轴子绝缘体态的重要特征。随着磁场增加,当反铁磁态转变为铁磁态时,陈绝缘体出现,样品的输运由非耗散的手性边缘态贡献,因此纵向电阻消失,而霍尔电阻达到1倍量子电阻。不同磁场下纵向电阻和霍尔电阻随着栅极电压的变化揭示了6层MnBi2Te4样品中轴子绝缘体态和陈绝缘体态之间的演化过程(图1b到1d),而两种拓扑物质态之间的量子相变行为和量子霍尔液体到霍尔绝缘体的相变满足同样的临界指数规律。


图1:6层MnBi2Te4样品中轴子绝缘体态到陈绝缘体态的演化


       这项工作对于实现量子化拓扑磁电效应,以及在固体中研究轴子动力学具有重要意义。该研究成果以“Robust axion insulator and Chern insulator phases in a two-dimensional antiferromagnetic topological insulator”为题发表在1月6日的Nature Materials上。物理系博士后刘畅,北京未来芯片技术高精尖创新中心研究助理王永超和材料学院博士生李昊为文章的共同第一作者。该项工作得到国家自然科学基金委、科技部以及北京未来芯片技术高精尖创新中心的支持。

       文章链接:https://www.nature.com/articles/s41563-019-0573-3