中科院科學家研究發現磁性拓撲絕緣體中的雙分量反常霍爾效應

反常霍爾效應是磁性材料的基本輸運性質之一。經過長達一百多年的研究，直至本世紀初物理學家們才認識到反常霍爾效應與電子能帶的貝里曲率相關。近年來，磁性拓撲絕緣體中的自旋結構、貝里曲率和反常霍爾效應之間的關係受到了廣泛的關注。一個重要的實驗進展是在Cr、V等摻雜的(Bi,Sb)2Te3薄膜中觀察到了量子反常霍爾效應。然而對於磁性摻雜的拓撲絕緣體Bi2Se3，雖然角分辨光電子能譜(ARPES)實驗觀察到了具有能隙的表面態，人們卻從未在這個體系中觀察到量子反常霍爾效應。其中，最令人費解的是Mn摻雜的Bi2Se3，儘管有不少實驗證實其體態和表面態存在鐵磁有序，但反常霍爾效應的實驗觀測還未被報道過。最近的一項研究甚至還指出ARPES實驗中觀測到的(Mn,Bi)2Se3表面態的能隙來源於與摻雜原子有關的非磁性共振散射，從而不支持之前關於表面態自旋結構的實驗結論。

針對上述(Mn,Bi)2Se3基態自旋結構方面的爭議，中國科學院科學家團隊——物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心納米物理與器件實驗室N08組的博士生劉楠、副研究員滕靜和研究員李永慶對Mn摻雜的Bi2Se3開展了系統的薄膜製備和電子輸運性質研究。他們不僅在這個體系中觀測到了反常霍爾效應，並且發現隨著Mn摻雜濃度的提高，反常霍爾電阻的符號由正變為負。類似的反常霍爾電阻的符號改變也可以通過改變柵壓來實現。他們還發現符號為正負的這兩種反常霍爾電阻可以在很寬的參數範圍內共存並且呈現出截然不同的對摻雜濃度和柵壓的依賴關係。數據分析表明，反常霍爾電阻的這兩個分量很可能分別來源於系統體態和表面態中不同的磁有序。這種雙分量的反常霍爾效應的實驗觀察尚屬首次，以前從未在磁性摻雜的拓撲絕緣體或其他磁性材料中被觀測到。這些研究結果表明反常霍爾效應為理解磁性摻雜、拓撲絕緣體表面態和體態之間的複雜相互作用以及該體系中多種磁有序之間的競爭提供了一個靈敏和方便的手段，這對利用拓撲絕緣體尋找新型的自旋結構以及製備更高質量的磁性拓撲絕緣體材料具有重要的意義。

相關研究結果發表於《自然-通訊》（N. Liu, J. Teng & Y. Q. Li,Nature Communications9, 1282 (2018)）。該工作得到了科技部、國家自然科學基金委員會和中科院的資助。

圖1 (a)電子輸運測量中使用的帶有背柵的霍爾器件示意圖。(b)SrTiO3(111)襯底上生長的10 nm厚(Bi1?xMnx)2Se3(x=0.02)薄膜的原子力顯微鏡形貌圖及原位反射高能電子衍射斑。

圖2 (a)不同Mn摻雜濃度的(Bi1?xMnx)2Se3樣品的霍爾電阻Ryx和反常霍爾電阻RAH隨磁場的變化。(b) 不同柵壓下(Bi1?xMnx)2Se3(x=0.02)樣品的Ryx和RAH隨磁場的變化。

（來源：中國科學院）

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