大数据时代对于高速、低功耗存储和逻辑器件的需求不断增长，自旋轨道耦合效应作为一种将电荷与自旋自由度相耦合的物理机制，为新型器件的设计提供了可能。近日，上海科技大学信息科学与技术学院寇煦丰团队联合中国科学与技术大学乔振华教授和牛津大学Thorsten Hesjedal团队在对本征磁性拓扑绝缘体的磁电输运调控研究方面取得重要进展。相关研究成果以“Tunable Chiral Magneto-Transport through Band Structure Engineering in Magnetic Topological Insulators Mn(Bi1-xSbx)2Te4”为题发表于《科学进展》(Science Advances)。
近年来，拓扑材料因其独特的量子特性在凝聚态物理和新型自旋电子器件中引起广泛关注。其中，Mn(Bi1-xSbx)2Te4 作为一种本征磁性拓扑绝缘体，因其兼具磁性与拓扑性，成为研究量子反常霍尔效应、自旋电子学以及能带工程的重要平台。在前期工作基础上，研究团队利用分子束外延生长技术制备了一系列高质量的2英寸Mn(Bi1-xSbx)2Te4薄膜。结合基于密度泛函理论的第一性原理计算，他们发现随着锑（Sb）掺杂比例的提高，Mn(Bi1-xSbx)2Te4的能带结构发生显著演化，诱导出一个从拓扑非平庸态向平庸态的拓扑相变，其对应的反常霍尔电导（anomalous Hall conductance，AHC）也会出现极性翻转。同时还观测到该材料体系的自旋纹理结构手性变化会诱导二次谐波霍尔响应信号的极性反转。本工作揭示了能带工程在实现本征磁性拓扑绝缘体材料电子能带结构，表面态自旋纹理以及拓扑物性调控方面的巨大潜力，不仅为探索非线性输运现象提供了理想模型，也为基于自旋手性和拓扑自由度的低功耗量子器件奠定了坚实基础。
上海科技大学是该成果的第一完成单位，信息学院后摩尔器件与集成系统中心寇煦丰课题组2021级博士生陈鹏、2021级硕士生黄浦阳以及中国科学技术大学的李泽宇为共同第一作者，寇煦丰教授、中国科学技术大学的乔振华教授和英国牛津大学的Thorsten Hesjedal教授为共同通讯作者。
论文链接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adt6084
图：通过改变Sb与Bi比例实现本征磁性拓扑绝缘体Mn(Bi1-xSbx)2Te4的电子能带结构和反常霍尔效应响应的精准调控
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