物理系在高温量子反常霍尔绝缘体的研究中取得进展


物理系徐勇、段文晖课题组理论预言可在高温下实现量子反常霍尔效应的候选材料―锂修饰的铁基超导材料,工作以“High-temperature quantum anomalous Hall insulators in lithium-decorated iron-based superconductor materials”为题,于8月20日在线发表在Physical Review Letter上。

量子反常霍尔绝缘体是一种新奇的拓扑量子物态,它能在零磁场下实现量子化的霍尔效应,在低能耗电子学、拓扑量子计算等关键领域有重要应用。量子反常霍尔效应1988年被普林斯顿大学Haldane教授理论预言,2013年清华大学薛其坤领导的研究团队首次实验实现该效应,开辟了拓扑量子物态的新研究领域。第一代量子反常霍尔绝缘体涉及复杂的磁性掺杂与多元合金组分调控,工作温度极低且优化困难。近期,新一代量子反常霍尔绝缘体MnBi2Te4(无需引入掺杂或合金)被理论预言并实验实现,其工作温度有所提升但仍显著低于液氮温度(77K)。寻找高温量子反常霍尔绝缘体是一个极具挑战性的关键科学问题。


层状LiFeSe材料的结构和拓扑性质示意图。(a) 单层LiFeSe的原子结构示意图。(b) 自旋轨道耦合(SOC)产生的拓扑能隙。(c,d) LiOH-LiFeSe中的三维量子反常霍尔绝缘体、拓扑/超导异质结构与拓扑超导态。


徐勇、段文晖团队提出一种构筑高温量子反常霍尔绝缘体的新策略:利用实验技术成熟且应用广泛的“锂插层”办法,对现有范德瓦尔斯层状材料作改性,将原本拓扑平庸或非磁的材料“改造”为磁性拓扑绝缘体。基于第一性原理材料计算,以层状的铁基超导体FeSe族材料为例,他们发现通过锂修饰能将单层FeSe转变为一种结构稳定的新型二维材料LiFeSe。更为重要的是,理论预言单层LiFeSe是一个性能优异的内禀量子反常霍尔绝缘体,具有超高的居里温度(显著高于室温)、高陈数和大拓扑能隙的综合优势,可实现近室温的量子反常霍尔效应。此外,由于强铁磁性和拓扑电子态均由被封装在层状材料内部的Fe原子层贡献,该材料体系还具有铁磁-拓扑耦合强、关键物性不易受外界影响等优点,有利于实验观测与器件应用。除此之外,他们还预言体相LiOH-LiFeSe是三维量子反常霍尔绝缘体,能提供宏观数目的手征性导电通道,可应用于低能耗电子学。该发现为研究磁性-超导-拓扑相互作用、探索新奇演生量子物态、在高温下实现新奇量子器件应用提供了新机遇。

清华大学物理系博士生李洋和李佳恒为文章的共同第一作者,徐勇副教授和段文晖教授为共同通讯作者。论文合作者包括博士生李阳、张泽涛、傅靖恒,博士后叶萌,和北京应用物理与计算数学研究所的郑法伟副研究员。该工作得到了国家自然科学基金(基础科学研究中心)、国家科技部、清华大学低维量子物理国家重点实验室、北京未来芯片技术高精尖创新中心、腾讯云服务等项目单位的支持。

文章链接:https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.125.086401