克服磁性无序迈向低能拓扑电子学

克服磁紊乱是利用量子异常霍尔(QAH)绝缘体独特性质的关键。莫纳什大学领导的团队已经证明，拓扑保护的失效是由磁紊乱引起的，这解释了之前的观察结果，即可以通过施加稳定磁场来恢复拓扑保护。

该论文“对磁拓扑绝缘体MnBi2Te4中拓扑保护的破坏与恢复进行成像”发表在《先进材料》杂志上。

“这项研究为MTI在低能拓扑电子学中的应用铺平了一条清晰的研究道路，”主要作者FLEET博士候选人QileLi(莫纳什大学)说道。

挑战

磁性和拓扑结构结合在一起，可以产生量子反常霍尔效应(QAHE)，使电流能够沿着一维边缘跨越宏观距离而无阻力地流动。

然而，事实证明，沿着这些受拓扑保护的一维边缘流动的电流远不够稳定。量子反常霍尔效应在磁性掺杂拓扑绝缘体中会在高于1开尔文的温度下失效，这远低于理论预测的温度。

一类被称为本征磁性拓扑绝缘体(MTI)的新材料，例如MnBi2Te4，既拥有非平凡拓扑结构，又拥有本征磁性，预计在更高温度下比磁性掺杂的拓扑绝缘体提供更稳健的QAHE。

在MnBi2Te4中，已经证明QAHE可以在高达1.4K的温度下存活，有趣的是，在施加稳定磁场的情况下，该温度可以升至6.5K，这为驱动拓扑保护崩溃的机制提供了线索。

然而，6.5K仍远低于理论预测的25K。为了推动这些材料走向潜在应用，必须将该温度提高到磁带隙能量和磁转变温度设定的硬线极限。这需要更好地了解材料表面拓扑保护被破坏的精确机制。

用扫描隧道显微镜拍摄的电导图显示了无间隙边缘状态及其与金属本体状态的耦合。图片来源：AdvancedMaterials(2024)。DOI：10.1002/adma.202312004

研究表面无序、带隙波动和边缘态之间的相互作用

为了全面了解正在发生的事情，莫纳什大学领导的团队采用了直接、原子级精确测量来测量表面无序、带隙能量的局部波动和手性边缘态之间的相互作用。

该团队利用低温扫描隧道显微镜和光谱(STM/STS)研究了五层超薄膜MnBi2Te4。

研究了晶体缺陷位置以及五层薄膜边缘和内部的带隙如何波动，以了解可能导致QAHE崩溃的原因。

研究团队还施加了低磁场，观察到带隙和QAHE可以恢复。施加的磁场远低于MnBi2Te4的自旋翻转跃迁。

五层MnBi2Te4的结果揭示了磁性恶棍

研究小组发现薄膜内部的带隙能量存在长距离波动，范围在0(无间隙)至70meV之间，且与单个表面缺陷无关。

直接观察拓扑保护的崩溃表明，无间隙边缘状态(QAH绝缘体的标志性特征)与本体中的扩展无间隙区域混合。

这些结果表明，MnBi2Te4中的无间隙边缘态与由于磁表面无序引起的带隙波动而产生的扩展渗透块体金属区域直接耦合。

通过施加磁场可以大大减少带隙波动，将平均交换间隙增加到44meV，接近预测值。

“这些结果提供了有关拓扑击穿机制以及如何在磁场中恢复拓扑击穿的见解，”通讯作者、FLEET副研究员MarkEdmonds博士(也在莫纳什大学)说。

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