自2013年薛其坤院士团队首次在极低温下实现QAH以来，提高其实现温度一直是凝聚态物理领域的重要目标，也是推动无耗散电子器件应用的关键。三维层状反铁磁拓扑绝缘体MnBi₂Te₄是实现高温QAH最具代表性的候选材料，理论预测其表面磁性能隙可达近百meV，预示着较高的QAH实现温度。然而，大多数实验未能观测到这一能隙，QAH效应的实现仍十分有限，且温度远低于理论预期。揭示这一差异的物理根源，是推动该领域发展的关键。前期研究发现，表面缺陷会显著影响MnBi₂Te₄表面拓扑电子态的空间分布。然而，其中蕴含的深层次的物理原理一直未能得到揭示。如何增强该材料的表面磁性拓扑能隙进而提高量子化输运温度，亦是学界关注的焦点。

清华大学物理系博士生边策（已毕业）在段文晖院士和上海交通大学谭恒心副教授的指导下，针对前述问题进行了详细研究。发现MnBi₂Te₄中广泛存在的缺陷会降低表面静电势，使拓扑表面态向样品内部迁移。该理论预言近期已得到谭恒心及其合作者的扫描隧道显微镜和角分辨光电子能谱实验验证【PRL 137, 066603 (2026)】。由于MnBi₂Te₄具有层状反铁磁结构，向内部迁移的表面态会受到表面下方磁性原子层交换作用的影响，从而抵消部分表面磁性原子层的贡献，导致表面磁性能隙显著减小甚至消失。

基于这一物理图像，团队提出利用电场增强表面静电势，将拓扑表面态重新局域于表面，通过减弱不同磁性原子层之间交换作用的抵消来恢复表面磁性能隙。该策略无需刻意降低材料的缺陷浓度。进一步研究发现，反向调节表面电势还可推动体系在QAH绝缘体与轴子绝缘体之间转换。此外，类似的调控也可通过界面电场实现：在MnBi₂Te₄表面覆盖In₂Te₃、AlO_x等极性材料，均可显著增强表面磁性能隙。这一结果也为近期相关实验中观察到的AlO_x覆盖增强QAH效应提供了理论解释。

图1 电场对表面态的调控。黑色虚线：无外加电场时带缺陷的表面的拓扑表面态分布。蓝色实线：加电场以后表面态的分布。红色箭头表示晶格范德瓦尔斯层内的磁矩方向，黑色箭头表示电场方向。

该研究不仅阐明了MnBi₂Te₄表面磁性能隙缺失的物理根源，为通过电场或界面工程提高其量子化输运现象的实现温度提供了新思路，也揭示了晶体结构与表面电势对反铁磁材料拓扑电子态及其磁性响应的重要影响。

近日，该研究成果以“恢复MnBi₂Te₄的表面磁性能隙”（Restoring the Surface Magnetic Gap in MnBi₂Te₄）为题，在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。清华大学物理系2020级博士生边策（已毕业）为论文第一作者，上海交通大学物理与天文学院谭恒心副教授为论文通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、国家科技重大专项、国家重点研发计划、教育部基础与交叉学科突破计划、上海市科学技术委员会、北京未来芯片中心及阳阳发展基金等支持。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/xz7k-zd8c