赵悦、刘畅、刘奇航课题组在磁性拓扑材料领域取得重要进展

babala

近日，南方科技大学物理系副教授赵悦课题组、副教授刘畅课题组、副教授刘奇航课题组在磁性拓扑材料领域取得重要进展。相关研究成果以“Distinct Topological Surface States on the Two Terminations of MnBi4Te7”为题发表在顶级物理期刊《物理评论X》( Physical Review X ) 。
拓扑绝缘体具有绝缘性的内部体态和金属性的表面态，电子能够在表面无耗散传导。在拓扑绝缘体中引入磁序，可以破坏其时间反演对称性，在表面打开能隙。同时磁序的引入和控制也为实现新奇的拓扑量子态，如反常量子霍尔效应等带来可能。拓扑绝缘体材料中长程磁序的引入一般通过掺杂磁性元素实现，然而磁性掺杂会带来无序和不均匀性，从而阻碍了这些新奇量子效应观测和实现温度。去年以来，MnBi2Te4(Bi2Te3)n (n = 1, 2, 3, …) 系列本征磁性拓扑绝缘体的实现为该研究领域提供了新的思路。研究团队利用扫描隧道显微镜 (STM) 和角分辨光电子能谱 (ARPES)，结合第一性原理计算和模型分析对MnBi4Te7 (n = 1) 拓扑表面态进行了系统的研究。
       MnBi4Te7由交替的磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4层和非磁性拓扑绝缘体Bi2Te3层构成，其自然解理面可以是MnBi2Te4 或者Bi2Te3。结合STM和ARPES实验，研究团队在微观层面首次确认了MnBi4Te7表面存在对应上述两类解理面的两种不同的拓扑表面态。

磁性拓扑材料

文章截图：(a) MnBi4Te7结构示意图。(b) STM图像显示解理得到的Bi2Te3面和MnBi2Te4面。(c)-(f) 两种表面的能带ARPES 实验结果和理论计算结果。

       实验结果表明，在MnBi2Te4面上的表面态并没有出现本该因磁序打开的能隙，而在Bi2Te3表面出现了能隙。结合理论计算，我们认为，由于表面磁序与体内磁序的不同，MnBi2Te4面存在由时间反转对称性保护的无能隙狄拉克锥能带；而由于层间原子轨道的耦合，Bi2Te3面的表面态出现磁性和杂化共同作用导致的能隙。同时，通过分析准粒子干涉图，我们首次确认了该体系中能带的自旋结构分布，并且发现该自旋分布也极大地受到层间能带杂化的影响。在Bi2Te3面上，其自旋动量锁定随能量变化有扭曲效应 (warping)，由此产生了类似于Bi2Te3表面的准粒子干涉图像。而在MnBi2Te4面上，由于邻近非磁层的影响，在费米面附近，除了强烈扭曲 (strongly warped) 的自旋螺旋态之外，我们还观察到了一对类似Rashba劈裂的能带。准粒子干涉图的研究不仅确定了MnBi4Te7两个解理面上的自旋分布，而且进一步证实了能带的自旋拓扑性质能够延续到远高于费米能量的位置。
       该研究结果表明，不同于传统拓扑绝缘体中的体表对应关系（其表面态由体态拓扑性质决定），磁性拓扑异质结构MnBi4Te7中具有两种不同的表面态，这两种表面态强烈依赖于表面磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4层和非磁性拓扑绝缘体Bi2Te3层之间的相互作用。这一发现不仅为理解磁性拓扑绝缘体的表面态与体态对应关系提供了新的角度，而且揭示了在拓扑材料异质结构中层间杂化作用的影响。

磁性拓扑材料

       赵悦课题组成员、物理系高级研究学者吴雪峰，南科大-香港大学联合培养2017级博士研究生张昱，刘奇航课题组成员、物理系2020级博士研究生李嘉裕，量子科学与工程研究院研究助理教授马小明为本文共同第一作者。刘奇航、刘畅和赵悦为本文通讯作者。南方科技大学物理系和量子科学与工程研究院为文章第一通讯单位。
       本课题的开展和完成得到了国家自然科学基金、广东省重点领域研究开发计划、广东省创新创业研究团队计划等项目的支持。此外，研究团队特别感谢日本广岛同步辐射光源实验室的大力支持。
       论文链接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.10.031013

供稿单位：物理系

通讯员：黄绮梦

编辑：程雯璟

主图设计：丘妍

        文章来源：南方科技大学
        赵悦，南方科技大学副教授。2005年于中国科学技术大学获得材料物理学士学位；2011年于美国哥伦比亚大学物理系获得博士学位；2012-2015年在美国国家标准与技术研究所纳米科技中心任副研究员。 2015年回国于南方科技大学物理系任助理教授，随后升职为副教授。研究方向主要是利用量子输运和扫描隧道显微镜等手段研究新型二维量子材料器件的基础物性。主要工作集中在石墨烯等二维材料异质结构量子器件的制备及表征方面。
         刘畅，南方科技大学物理系副教授。刘博士的研究兴趣主要是利用角分辨光电子能谱（ARPES）和其他谱学技术揭示拓扑材料，热电材料和高温超导体的新颖电子特性，以及石墨烯及其相关结构中的奇异电子行为。他的研究小组还掌握了材料的生长技术，例如利用助溶剂法，化学气相转移法（CVT）生长单晶材料，利用分子束外延（MBE）方法生长单晶薄膜材料等。在拓扑材料领域，他的工作发现了磁性拓扑绝缘体中的无能隙拓扑表面态，三维Dirac半金属中的费米弧表面电子态以及第一个拓扑晶体绝缘体。在热电材料领域，他的工作揭示了一系列基于SnSe的高性能热电化合物的价带信息。他在Science, Nature Physics, Physical Review X, Physical Review Letters等杂志上发表研究论文约50篇，被引5000次左右，H-index为29（谷歌学术）。
        刘奇航，南方科技大学物理系副教授，主要从事以密度泛函理论为主的凝聚态理论研究，聚焦真实材料。研究兴趣包括理解材料中新奇的电学，磁学，光学，缺陷，自旋极化，拓扑等性质及它们的耦合，以及功能导向的新型材料设计及预测。刘奇航博士以第一作者或通讯作者身份已发表包括Nat. Phys. 、Phys. Rev. X、Phys, Rev. Lett. 、Nano Lett. 、Adv. Funct. Mater. 等多篇学术论文；署名作者共计已发表学术论文30余篇，Google Scholar统计引用超过2200次；担任Phys. Rev. Lett.、 Nano Lett.、Adv. Mater. 等期刊审稿人。