中国科大在反铁磁量子反常霍尔效应研究中取得理论进展 [2025-04-01]

中国科大合肥微尺度物质科学国家研究中心国际量子功能材料设计中心与物理系牛谦教授和乔振华教授团队及合作者在反铁磁体中预言了量子反常霍尔效应，并可通过电场等方法调控体系的陈数。相关研究成果于3月18日发表在国际学术期刊《物理评论快报》。

1988年，Haldane提出了量子反常霍尔效应的概念，即不施加外磁场的量子霍尔效应。具有量子反常霍尔效应的体系展示出受拓扑保护的手性边缘态，其无耗散特性使其成为构建下一代高性能电子器件的备选体系。十几年来，量子反常霍尔效应在实验方面取得了多项突破性进展。2013年，基于中国科学院物理所方忠院士团队提出的理论方案，清华大学薛其坤院士团队首次在Cr掺杂的(Bi,Sb)2Te3中观测到了量子反常霍尔效应。2018年，中国科大陈仙辉院士与复旦大学物理系张远波教授团队在存在净磁矩的5层本征磁性绝缘体MnBi₂Te₄中也观测到了量子反常霍尔效应。

在上述各种方案中，铁磁性都是不可或缺的重要因素。但铁磁体系具有磁偶极场，影响磁畴结构，而且易受热涨落或“杂散场”（stray field）等不利因素的干扰，影响拓扑状态、电输运性质以及拓扑保护特性。相比之下，反铁磁性材料内部没有净磁性，也没有磁偶极场，对外部磁场变化不敏感，更为稳定。这种稳健性使它们在新兴自旋电子学领域，尤其是反铁磁自旋电子学中受到越来越多的关注。此外，反铁磁材料在自然界中存量丰富，且通常具有更高的奈尔转变温度，有利于实现更高温度的量子反常霍尔效应。

图：(a)具有空间-时间反演联合对称性的本征反铁磁体；(b)磁钉扎后空间-时间反演联合对称性破缺的反铁磁体；(c)完全补偿反铁磁体中陈数调控的拓扑相图。

然而，反铁磁体中通常会出现空间-时间反演联合对称性(比如↓↑↓↑构型，箭头表示自旋向上或者向下的取向)，这种对称性禁止量子反常霍尔效应的出现。如何在净磁化为零的反铁磁体系中实现量子反常霍尔效应是一个难题。

针对这一挑战，该研究团队基于磁性拓扑绝缘体模型计算证明，当偶数层磁性拓扑绝缘体采用破坏空间-时间反演联合对称性的磁结构时，比如(↓↑↑↓)，布里渊区中贝里曲率的分布将不再处处为零。奇妙的是，在MnBi₂Te₄材料的实际参数附近，系统呈现非零的陈数（±1），并具有可调性。通过调控垂直方向的栅极电压或者轨道在位能，可以连续驱动系统进入不同的拓扑相，陈数可以调为|C|=1，2，3，以及陈金属相。对于陈金属相，在弱无序的情况下，小的费米口袋也可能会变得局域化，从而产生拓扑非平庸的安德森绝缘体。

该研究团队还采用第一性原理计算验证了模型的可行性。对于四层磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4，当磁构型为(↓↑↑↓)时，体能隙中存在量子化的反常霍尔电导平台。此外，当存在外部磁钉扎层时，构型↓↑↑↓的能量低于构型↓↑↓↑。因此，破坏空间-时间反演联合对称性的磁结构是稳定的，这与团队的模型预期一致。同时，该工作还通过模型研究了6层反铁磁结构，指出模型研究的结论可以推广到多层的偶数层反铁磁结构。进一步，通过第一性原理计算验证了6层和8层MnBi₂Te₄体系中，获得在不同磁构型下层分辨的陈数分布，指出在各种破坏空间-时间反演联合对称性的磁结构中，只有最外层MnBi₂Te₄的磁化方向一致时系统才能实现量子反常霍尔效应。在较小的压强下，随着层间相互作用的增强，拓扑非平庸能隙可以超过室温能标。该研究工作也于近日发表[Phys. Rev. B 111, 115416 (2025)]。

该系列工作获得的拓扑相图和实验实现方案为后续在反铁磁体中拓扑态和电子输运的研究提供了坚实物理基础。

物理系2024届博士毕业生梁纹豪和合肥微尺度物质科学国家研究中心博后李泽宇为本论文的共同第一作者。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委、安徽省的资助。

 论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.134.116603   https://doi.org/10.1103/PhysRevB.111.115416

(微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心、物理系、中国科学院强耦合量子材料重点实验室）