近日，上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院拓?fù)湮锢韺?shí)驗(yàn)室、量子功能材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王文波課題組與合作者在反鐵磁量子反?；魻柌牧?/span>MnBi₂Te₄中實(shí)現(xiàn)奈爾序的調(diào)控和原位表征，成果發(fā)表于國(guó)際物理學(xué)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters, PRL）。

量子反常霍爾體系擁有無(wú)耗散的手性邊緣態(tài)，有望應(yīng)用于低能耗電子器件中。MnBi₂Te₄是目前唯一已知的反鐵磁量子反?；魻柌牧?，為研究電子拓?fù)湫耘c反鐵磁性之間的耦合提供了重要平臺(tái)。研究者近期發(fā)現(xiàn),在MnBi₂Te₄上蒸鍍氧化鋁可以顯著提升其量子反?；魻栃?yīng)，并推測(cè)是由表面垂直磁各向異性提高所致，但一直缺乏直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

本研究首先提出了一種表征A型反鐵磁表面磁性的方法。理論計(jì)算表明，對(duì)于表面磁性增強(qiáng)或減弱的樣品，在負(fù)場(chǎng)降為零場(chǎng)的過(guò)程中，偶數(shù)層會(huì)呈現(xiàn)相反的奈爾序，而奇數(shù)層的奈爾序保持不變。因此，在奇偶層邊界處會(huì)出現(xiàn)兩種不同的磁結(jié)構(gòu)：一種形成180°的磁疇壁，另一種則呈現(xiàn)面內(nèi)連續(xù)的自旋分布。在施加正場(chǎng)使奇數(shù)層發(fā)生磁翻轉(zhuǎn)時(shí)，二者表現(xiàn)出完全不同的磁疇翻轉(zhuǎn)行為。

圖1 (a) (b)氧化鋁對(duì)于MnBi₂Te₄表面磁各向異性提高，從而增強(qiáng)量子反?；魻栃?yīng)。(c) 理論計(jì)算表明表面磁性提高與降低，會(huì)在偶數(shù)層產(chǎn)生相反的奈爾序。(d) MnBi₂Te₄中奇偶邊界導(dǎo)致的不同疇行為。

王文波課題組利用低溫磁力顯微鏡，分別對(duì)未處理的和覆蓋氧化鋁的MnBi₂Te₄薄片進(jìn)行了成像。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，覆蓋氧化鋁的樣品中，5層結(jié)構(gòu)的磁翻轉(zhuǎn)從第5、6層邊界開(kāi)始，矯頑場(chǎng)較低（約0.068 T）；而未處理的樣品中，5、6層同時(shí)翻轉(zhuǎn)，矯頑場(chǎng)高出近一個(gè)數(shù)量級(jí)（約0.84 T）。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)高度一致，直接證實(shí)氧化鋁可增強(qiáng)MnBi₂Te₄表面的磁各向異性。

圖2 (a) 覆蓋氧化鋁層與未覆蓋的MnBi₂Te₄（來(lái)自同一試樣）的光學(xué)圖像。(b) (c) 磁力顯微鏡測(cè)量MnBi₂Te₄在變場(chǎng)過(guò)程中的磁翻轉(zhuǎn)行為。(d) (e) 5、6層區(qū)域在不同磁場(chǎng)下的磁力顯微鏡信號(hào)。

基于奇偶層邊界磁性的差異，研究團(tuán)隊(duì)在由偶數(shù)層包圍的奇數(shù)層A型反鐵磁中實(shí)現(xiàn)了一種新型橫向交換偏置效應(yīng)。在6、7、8層臺(tái)階結(jié)構(gòu)的MnBi₂Te₄中，觀(guān)測(cè)到高達(dá)0.4 T的交換偏置場(chǎng)，且該偏置場(chǎng)可通過(guò)周?chē)紨?shù)層的奈爾序進(jìn)行調(diào)控，數(shù)值可由負(fù)經(jīng)零變?yōu)檎＿@一機(jī)制源于橫向奇偶界面，與傳統(tǒng)鐵磁/反鐵磁縱向界面引起的交換偏置效應(yīng)有本質(zhì)區(qū)別。

圖3 (a) 2、3、4層臺(tái)階結(jié)構(gòu)中形成交換偏置效應(yīng)示意圖。(b) 利用磁力顯微鏡觀(guān)測(cè)6、7、8層MnBi₂Te₄臺(tái)階結(jié)構(gòu)中交換偏置效應(yīng)。(c) (d) 交換偏置場(chǎng)受施加最大正場(chǎng)調(diào)控可由負(fù)經(jīng)零變?yōu)檎?/span>

本工作提出了一種在A型反鐵磁中表征與操控奈爾序的有效方法。研究表明，表面磁性增強(qiáng)或抑制的樣品在奇偶層邊界處的矯頑場(chǎng)可呈現(xiàn)數(shù)量級(jí)差異，利用該差異可在奇數(shù)層薄片中設(shè)計(jì)出顯著的交換偏置效應(yīng)。這一策略不僅適用于MnBi₂Te₄體系，還可推廣至其他A型范德華反鐵磁材料，為層狀材料中反鐵磁態(tài)的調(diào)控提供了通用途徑。

該論文共同第一作者為上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院2024級(jí)博士研究生楊笑天、2023級(jí)博士陸暢以及中國(guó)人民大學(xué)博士研究生王永謙，通訊作者為上?？萍即髮W(xué)王文波教授與中國(guó)人民大學(xué)劉暢教授。上?？萍即髮W(xué)為第一完成單位和通訊單位。

論文標(biāo)題：Tailoring Neel Orders in Layered Topological Antiferromagnet MnBi₂Te₄

文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/pjrh-bqjf