反铁磁/拓扑绝缘体双层结构中的反常量子霍尔效应和磁性交换偏置

反常量子霍尔效应自2013年首次被实验发现以来，便吸引了众多研究。利用分子束外延生长高质量的磁性掺杂（Cr，V）拓扑绝缘体(Bi,Sb)₂Te₃，是获得反常量子霍尔效应的主要方法。但是由于(Bi,Sb)₂Te₃材料的体能带限制，及磁性掺杂本征的弱铁磁性和掺杂不均匀性，反常量子霍尔效应只能在极低温（需要稀释制冷机）才能被观测到。于是，大量研究者将拓扑绝缘体和强磁性薄膜材料形成双层结构，通过与磁性材料的磁性耦合以及近邻效应，以实现了在拓扑绝缘体中引入磁性，或者提高了磁性掺杂拓扑绝缘体的居里温度（Curie temperature），但是在这种双层结构中却未能观测到反常量子霍尔效应。

鉴于此，加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）王康隆教授团队研究了在反铁磁Cr₂O₃衬底上的磁性掺杂拓扑绝缘体生长。该团队利用分子束外延的方法得到了高质量的磁性掺杂拓扑绝缘薄膜，并且第一次在磁性衬底上观测到了反常量子霍尔效应（之前的报道均是基于GaAs、InP、STO等非磁性衬底）。该团队还发现，磁性拓扑绝缘体和反铁磁衬底之间存在很强的磁性耦合作用。具体的表现为在不同场冷情况下磁性拓扑绝缘体霍尔电阻磁滞回线的平移，即磁性交换偏置效应。该团队与美国国家标准与技术研究院（NIST）合作，开展了极化中子反射测量（PNR），在施加面内饱和磁场的情况下观测到类似交换弹性状的磁性深度信息，进一步验证了该体系中磁性拓扑绝缘体和Cr₂O₃衬底的磁性耦合作用。

图1. 反铁磁Cr₂O₃衬底上高质量磁性掺杂拓扑绝缘体外延生长，以及反常量子霍尔效应的实现；在同一体系下，磁性耦合产生的交换偏置作用。

该研究让人们对磁性掺杂拓扑绝缘体的磁性耦合机制有了更深入的理解，为如何提高反常量子霍尔效应观测温度提供了启发，并且提供了一种利用和反铁磁之间的磁性耦合来实现操控量子态的新思路。

这一成果近期发表Advanced Materials 上，文章的第一作者是UCLA博士研究生潘磊、张鹏以及NIST的Alexander Grutter博士，通讯作者是UCLA王康隆教授。

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Observation of Quantum Anomalous Hall Effect and Exchange Interaction in Topological Insulator/Antiferromagnet Heterostructure

Lei Pan, Alexander Grutter, Peng Zhang, Xiaoyu Che, Tomohiro Nozaki, Alex Stern, Mike Street, Bing Zhang, Brian Casas, Qing Lin He, Eun Sang Choi, Steven M. Disseler, Dustin A. Gilbert, Gen Yin, Qiming Shao, Peng Deng, Yingying Wu, Xiaoyang Liu, Xufeng Kou, Sahashi Masashi, Xiaodong Han, Christian Binek, Scott Chambers, Jing Xia, Kang L. Wang

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202001460