拓扑物理实验室王文波课题组在反铁磁拓扑材料中实现奈尔序的调控

近日，上海科技大学物质科学与技术学院拓扑物理实验室、量子功能材料全国重点实验室王文波课题组与合作者在反铁磁量子反常霍尔材料MnBi₂Te₄中实现奈尔序的调控和原位表征，成果发表于国际物理学期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters, PRL）。

量子反常霍尔体系拥有无耗散的手性边缘态，有望应用于低能耗电子器件中。MnBi₂Te₄是目前唯一已知的反铁磁量子反常霍尔材料，为研究电子拓扑性与反铁磁性之间的耦合提供了重要平台。研究者近期发现,在MnBi₂Te₄上蒸镀氧化铝可以显著提升其量子反常霍尔效应，并推测是由表面垂直磁各向异性提高所致，但一直缺乏直接实验证据。

本研究首先提出了一种表征A型反铁磁表面磁性的方法。理论计算表明，对于表面磁性增强或减弱的样品，在负场降为零场的过程中，偶数层会呈现相反的奈尔序，而奇数层的奈尔序保持不变。因此，在奇偶层边界处会出现两种不同的磁结构：一种形成180°的磁畴壁，另一种则呈现面内连续的自旋分布。在施加正场使奇数层发生磁翻转时，二者表现出完全不同的磁畴翻转行为。

图1 (a) (b)氧化铝对于MnBi₂Te₄表面磁各向异性提高，从而增强量子反常霍尔效应。(c) 理论计算表明表面磁性提高与降低，会在偶数层产生相反的奈尔序。(d) MnBi₂Te₄中奇偶边界导致的不同畴行为。

王文波课题组利用低温磁力显微镜，分别对未处理的和覆盖氧化铝的MnBi₂Te₄薄片进行了成像。结果发现，覆盖氧化铝的样品中，5层结构的磁翻转从第5、6层边界开始，矫顽场较低（约0.068 T）；而未处理的样品中，5、6层同时翻转，矫顽场高出近一个数量级（约0.84 T）。该实验结果与理论预测高度一致，直接证实氧化铝可增强MnBi₂Te₄表面的磁各向异性。

图2 (a) 覆盖氧化铝层与未覆盖的MnBi₂Te₄（来自同一试样）的光学图像。(b) (c) 磁力显微镜测量MnBi₂Te₄在变场过程中的磁翻转行为。(d) (e) 5、6层区域在不同磁场下的磁力显微镜信号。

基于奇偶层边界磁性的差异，研究团队在由偶数层包围的奇数层A型反铁磁中实现了一种新型横向交换偏置效应。在6、7、8层台阶结构的MnBi₂Te₄中，观测到高达0.4 T的交换偏置场，且该偏置场可通过周围偶数层的奈尔序进行调控，数值可由负经零变为正。这一机制源于横向奇偶界面，与传统铁磁/反铁磁纵向界面引起的交换偏置效应有本质区别。

图3 (a) 2、3、4层台阶结构中形成交换偏置效应示意图。(b) 利用磁力显微镜观测6、7、8层MnBi₂Te₄台阶结构中交换偏置效应。(c) (d) 交换偏置场受施加最大正场调控可由负经零变为正。

本工作提出了一种在A型反铁磁中表征与操控奈尔序的有效方法。研究表明，表面磁性增强或抑制的样品在奇偶层边界处的矫顽场可呈现数量级差异，利用该差异可在奇数层薄片中设计出显著的交换偏置效应。这一策略不仅适用于MnBi₂Te₄体系，还可推广至其他A型范德华反铁磁材料，为层状材料中反铁磁态的调控提供了通用途径。

该论文共同第一作者为上海科技大学物质学院2024级博士研究生杨笑天、2023级博士陆畅以及中国人民大学博士研究生王永谦，通讯作者为上海科技大学王文波教授与中国人民大学刘畅教授。上海科技大学为第一完成单位和通讯单位。

论文标题：Tailoring Neel Orders in Layered Topological Antiferromagnet MnBi₂Te₄

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/pjrh-bqjf