宁波材料所利用分子束外延在拓扑量子材料人工异质结研究方面取得进展

　　在拓扑绝缘体中引入磁性打破时间反演对称性，在其拓扑表面态处打开能隙，可实现量子反常霍尔效应、轴子绝缘态等，有望应用于低功耗电子学器件。实现磁性拓扑绝缘体有磁性掺杂、磁近邻效应以及本征磁性拓扑三种方式。以MnBi2Te4(Bi2Te3)m为代表的本征磁性拓扑绝缘体材料，由整数化学计量比的单元自然堆叠而成，其结构无序度相比较磁性掺杂而言大幅度降低，引起了广泛的研究兴趣。在MnBi2Te4(Bi2Te3)m块体单晶材料中，由于单晶生长过程中的热力学限制，无法独立分别调控Mn-Mn间距和Bi2Te3/MnBi2Te4比例，对揭示该材料体系中反铁磁序和铁磁序的调控机制造成困难，从而阻碍了相关磁性拓扑物态的研究。

　　针对此问题，中国科学院宁波材料技术与工程研究所原子尺度与微纳制造实验室量子功能材料团队与美国罗格斯大学、浙江大学以及美国布鲁克海文国家实验室的研究团队紧密合作，在前期的研究基础上（Nano Letters 19, 4567 (2019)、Nano Letters 21, 5914 (2021)），基于逐层生长的分子束外延技术制备出原子层堆叠可控的MnBi2Te4-Bi2Te3人工异质结，克服了块体单晶材料中堆叠次序的限制，揭示了MnBi2Te4-Bi2Te3体系中反铁磁序和铁磁序的独立调控机制。研究发现该材料体系中反铁磁和铁磁的共存是由于磁性反位缺陷的微观不均匀分布引起，如图1所示。反铁磁序的变化几乎完全由Mn-Mn间距控制，而铁磁序的变化只依赖于Bi2Te3/MnBi2Te4比例而与MnBi2Te4层位置无关，如图2所示。这一发现为MnBi2Te4-Bi2Te3体系中磁性的原子层堆叠调控以及新型磁性拓扑材料的设计制备提供了新思路。

　　相关成果以“Atomic-Layer-Controlled Magnetic Orders in MnBi2Te4-Bi2Te3 Topological Heterostructures”为题发表在Nano Letters上（原文链接https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c02320）。宁波材料所姚雄研究员、博士后崔琪睿（现为瑞典皇家理工学院博士后）为该论文的共同第一作者，美国罗格斯大学Seongshik Oh教授、浙江大学杨洪新教授和宁波材料所姚雄研究员为该论文的共同通讯作者。该工作得到了国家基金委、中国科学院、科技部、浙江省和宁波市基金项目的资助。

图1 磁性反位缺陷的微观不均匀分布导致的反铁磁、铁磁共存

　　图2 MnBi2Te4-Bi2Te3人工异质结中的两种原子层堆叠策略及磁性调控行为

（原子尺度与微纳制造实验室   姚雄）