物质学院陈宇林-柳仲楷组实现本征反铁磁拓扑绝缘体电子结构调制优化

近日，上海科技大学物质学院陈宇林-柳仲楷课题组在拓扑量子材料电子结构调控研究中取得重要进展：通过原位碱金属掺杂方式，在本征反铁磁拓扑绝缘体MnBi₂Te₄中获得简化的拓扑电子结构。该成果在国际知名学术期刊Nano Letters上在线发表。

磁性拓扑绝缘体是当前凝聚态物理研究的重要体系，它是量子反常霍尔效应、轴子绝缘态、拓扑超导等重要应用的基础材料。MnBi₂Te₄体系具有较高的反铁磁有序温度 (25K) 和适中的拓扑能隙（~0.2 eV），是目前最具代表性的本征磁拓扑绝缘体，但该材料呈现的远低于反铁磁转变温度的量子反常霍尔效应临界温度（~1.5 K）的原因仍不为所知，解释电子谱学与输运和理论研究之间的“矛盾”也是该材料研究中的另一挑战。

为加深对此类材料电子结构的理解，并获得简单、性能优异的拓扑电子结构，课题组基于前期工作（Phys Rev X 9, 041040 (2019)，Science Bulletin 65, 2086 (2020)），利用上科大实验室自主研发的高分辨小光斑深紫外激光角分辨光电子能谱、同步辐射角分辨光电子能谱等手段，完成了MnBi₂Te₄表面费米能级附近能带分类认定；并进一步利用原位表面碱金属钾原子掺杂表面，获得了接近于“极简”的磁性拓扑绝缘体电子结构。

通过光电子能谱偏振依赖实验（图a）发现，MnBi₂Te₄的表面态由拓扑表面态与 Rashba 型平庸表面态两个部分杂化而成。通过连续原位钾掺杂，电子结构进一步出现两阶段渐变演化（图b-c）：第一阶段，钾掺杂调制拓扑表面态和Rashba表面态的杂化并最终闭合杂化带隙；第二阶段， Rashba表面态被钾掺杂完全抑制，费米能级附近只保留拓扑表面态和很浅的导带底，接近于“极简”磁性拓扑绝缘体电子结构。综合多种表面表征技术的结果，这两阶段电子结构演化很可能是源自表面钾原子吸附以及最终生成的钾原子团簇与MnBi₂Te₄表面的化学反应。该研究推进了对MnBi₂Te₄电子结构的理解，为提升本征磁性拓扑绝缘体性能（如提高量子反常霍尔效应转变温度）等提供了新的调制途径。

图a：MnBi₂Te₄能带的光电子能谱圆偏二色性。图b：连续原位表面碱金属钾原子掺杂。图c：MnBi₂Te₄能带归类指认，以及各能带随钾掺杂的演化。标注导带（CB），价带（VB），拓扑表面态（SS1），Rashba型表面态（SS2，SS3），狄拉克点（DP）,表面态杂化位置（Hyb. Pos.），杂化带隙（hybridized gap）。

此项工作中，上海科技大学为第一完成单位。物质学院拓扑实验室助理研究员梁爱基和牛津大学物理系博士后陈成为论文的共同第一作者，上科大物质学院特聘教授陈宇林、常任副教授柳仲楷为共同通讯作者。物质学院郭艳峰课题组为本研究提供了高质量单晶。

论文标题：Approaching a Minimal Topological Electronic Structure in Antiferromagnetic Topological Insulator MnBi2Te4 via Surface Modification

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.1c04930