我校合肥微尺度物质科学国家研究中心和物理系陈仙辉课题组与复旦大学物理系张远波课题组和王靖课题组合作，首次在本征磁性拓扑绝缘体中实现量子反常霍尔效应，其实现温度可达到1.4K。该研究成果以“Quantum anomalous Hall effect in intrinsic magnetic topological insulator MnBi2Te4”为题于美国东部时间1月23日在《Science》上在线发表（DOI:10.1126/science.aax8156）。
在磁性拓扑绝缘体中，非平庸的拓扑能带结构与长程磁有序的结合将诱导出一系列新奇量子现象和拓扑物态，量子反常霍尔效应和轴子绝缘体是其中的典型代表。为了引入长程磁有序，现行的方法为磁性杂质掺杂。然而这种磁性掺杂的随机性不可避免地会引入一些无序，使得这些新奇物态的观测只能在极低温(mK)实现，也阻碍了进一步对其进行物理研究。近来，本征磁性拓扑绝缘体(MnBi2Te4)m(Bi2Te3)n系列材料的发现为解决这些问题提供了新思路。这类材料均含有MnBi2Te4层，在层内Mn离子之间铁磁排列，而层与层之间则形成反铁磁耦合。理论预言其拓扑表面态会因时间反演对称性破缺而打开能隙，从而为实现量子反常霍尔效应等量子现象提供了理想平台。陈仙辉课题组在前期工作中研究了这一系列单晶材料中的本征磁性及拓扑性质，并制备出高质量的单晶材料，为实现理论预言的量子反常霍尔效应奠定了基础。相关工作发表在Physical Review B以及预印版网站arxiv.org （M. Z. Shi et al., Phys. Rev. B 100,155144 (2019); J. H. Cui et al., Phys. Rev. B 99, 155125 (2019); Y. Hu et al., arXiv:1910.11323; Z. W. Liang et al., arXiv:2001.00866）。
图：A：少层MnBi2Te4单晶的电输运器件；B：五层MnBi2Te4的原子结构；C：五层MnBi2Te4单晶中的量子反常霍尔效应。
在前期工作的基础上，陈仙辉课题组和复旦大学张远波课题组和王靖课题组开展合作攻关，通过改良后的机械剥离的方法将MnBi2Te4单晶解理成薄层，并成功地在5层厚度的薄层样品中在1.4K温度和零磁场的条件下观察到量子反常霍尔效应。并且通过外磁场进一步改善薄层样品中的铁磁排列，可以将实现量子化的温度提高到6.5K，这是迄今为止观察到量子反常霍尔效应的最高温度记录。这一工作成功地证明了MnBi2Te4是第一个具有量子反常霍尔效应的本征磁性拓扑绝缘体。另外，由于MnBi2Te4是一种层状二维材料，利用MnBi2Te4二维结构与其他磁性/超导二维材料构成的van der Waals异质结将为探索奇异的拓扑量子现象提供理想的平台。
我校合肥微尺度物质科学国家研究中心和物理系陈仙辉教授与复旦大学物理学系张远波教授和王靖教授为论文共同通讯作者。我校合肥微尺度物质科学国家研究中心博士生石孟竹与复旦大学物理学系博士生邓雨君和博士后於逸骏为论文共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金、科技部国家重点研发计划项目、中科院战略性先导科技专项以及中科院前沿科学重点研发项目等的支持。
文章链接：https://science.sciencemag.org/content/367/6480/895