信息学院寇煦丰、杨雨梦课题组开发超晶格调控磁性量子拓扑材料新机制

本征磁性拓扑绝缘体MnBi₂Te₄（MBT）作为一类集内禀反铁磁序和拓扑表面态为一体的量子拓扑材料，可为探索新奇的量子物态（如量子反常霍尔效应、轴子绝缘态）和研究极低功耗、高集成、高速存储器件提供全新的平台。近日，上海科技大学信息学院后摩尔中心（PMICC）寇煦丰、杨雨梦团队利用分子束外延技术设计制备了基于MBT的[(MBT)(MnTe)_m]_N超晶格薄膜，通过MnTe铁磁插层的引入和超晶格的结构优化实现了对体系自旋构型的剪裁和磁电响应的精准调控，相关成果以“Tailoring the magnetic exchange interaction in MnBi₂Te₄ superlattices via the intercalation of ferromagnetic layers”为题在线发表于知名学术期刊《自然·电子学》（Nature Electronics）。

 在前期工作的基础上，研究人员利用铁磁相MnTe与MBT晶格匹配的特点，以类似搭建乐高积木的方式成功在2英寸Al₂O₃衬底上实现了晶圆级[(MBT)(MnTe)_m]_N超晶格薄膜的外延生长；利用MnTe与MBT之间的交换弹簧效应（exchange-spring effect）对体系内禀的铁磁-反铁磁交换耦合的调控，并通过合理设计MnTe层厚实现了对MBT层间磁序的稳定；研究发现[(MBT)(MnTe)_m]_N超晶格周期可以提供额外的自由度对MnTe-MBT异质界面的磁近邻效应进行有效调节，进而影响样品的磁电响应，使其整体自旋构型和磁阻可以根据磁存储器和传感器的实际应用需求进行定制化设计。

上海科技大学是该成果的第一完成单位，信息学院寇煦丰教授、杨雨梦教授和物质学院助理研究员姚岐为论文的共同通讯作者，寇煦丰课题组2021级博士生陈鹏和姚岐为共同第一作者；南京大学，美国国家标准与技术研究院，澳大利亚昆士兰大学，北京工业大学，复旦大学，英国牛津大学以及英国“钻石”同步辐射光源作为共同完成单位参与此项研究。相关器件制备与性能表征工作得到了上海科技大学量子器件中心、软物质微纳加工平台、分析测试中心和信息学院电子器件科研平台的协助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41928-022-00880-1

图1：基于本征磁性拓扑绝缘体 [MBT(MnTe)_m]_N 超晶格薄膜的高质量外延生长。

图2：铁磁插层和超晶格周期变化对[MBT(MnTe)_m]_N体系自旋构型和磁阻响应的精准调控。