科学家揭示拓扑诱导磁性量子相变

清华大学物理系的研究人员和合作者在拓扑绝缘体的研究方面取得了重要进展，发现了磁性掺杂拓扑绝缘体中由能带拓扑量子相变引起的磁性量子相变。相关结果发表在2013年3月29日的美国科学杂志上。本文的合著者是清华大学物理系博士生张劲松、常翠祖和唐培哲。工作由清华大学物理系王、薛其昆、段、陈、中国科学院物理研究所何科、村、王莉莉以及清华校友、宾夕法尼亚州立大学刘朝兴共同完成。

图1。不同硒含量(0 ≤ x ≤ 1)的bi 1.78cr 0.22 (Sexte x) 3薄膜在t = 1.5k时的反常霍尔效应曲线。在x = 0.67附近，材料经历了从铁磁到顺磁的量子相变，伴随着反常霍尔电阻符号的变化。

拓扑绝缘体是近年来凝聚态物理最重要的前沿研究方向之一。在拓扑绝缘体材料中，由于强自旋轨道耦合，其电子结构将表现出非一般的拓扑特征。这使得拓扑绝缘体在其表面具有拓扑保护的金属态，具有非常优异的物理性质，在自旋电子学和量子计算中具有重要的应用前景。在拓扑绝缘体中掺杂磁性元素会破坏时间反转对称性，从而对拓扑表面状态产生不利影响。另一方面，掺杂磁性可能导致许多新的量子效应，如量子反常霍尔效应(科学网相关报道)和镜像磁单极子等。拓扑与磁性的相互作用是目前拓扑绝缘体领域中备受关注的一个研究方向。以往的工作主要集中在磁性对拓扑表面态的影响，而对电子能带结构的拓扑性质如何影响其磁性的研究较少。

图2。bi 1.78 Cr 0.22 (sexte x) 3薄膜的磁相图表明，随着硒含量的增加，薄膜在低温下有一个从铁磁态到顺磁性态的磁量子相变。

在本研究中，研究团队利用分子束外延生长出高质量的掺铬Bi2(六钛x) 3(铋、硒、碲三元化合物)拓扑绝缘体薄膜，并精确测量了其低温下的磁电阻和反常霍尔效应。输运测量表明，随着硒含量的增加，体系经历了从铁磁性态到顺磁性态的磁量子相变，伴随着异常霍尔电阻符号的变化。此外，在量子临界点，能带结构的测量揭示了能带从拓扑非平庸到拓扑平庸的量子相变。密度泛函理论计算表明，其物理机制是硒元素的自旋轨道耦合强度弱于碲元素，因此当其含量超过临界值时，自旋轨道耦合强度不足以引起能带反转，从而进入拓扑平庸。最后，对有效模型的计算表明，能带结构的拓扑相变是磁相变的驱动力，即非中等拓扑的能带在低温下倾向于形成铁磁有序，而中等拓扑的能带倾向于形成顺磁有序。

在这项工作中，研究团队可以通过精确控制材料成分来改变自旋轨道耦合强度，从而主动调整拓扑绝缘体材料能带的拓扑结构，最终诱导磁量子相变。这一发现极大地加深了人们对拓扑绝缘体的拓扑和磁性质的理解和控制能力，为将来寻找由时间反转对称性破缺引起的奇异量子拓扑现象和可能的器件应用提供了一个理想的平台。

本次研究的成功得益于团队成员的密切合作，特别是样品生长、输运性质测量和理论计算的有机结合，为发现和理解新的物理现象提供了全面而深刻的信息。

该研究得到了国家自然科学基金、科技部、中国科学院和清华大学的支持。

背景链接:拓扑绝缘体

拓扑绝缘体是一种新的量子态，是近年来物理学的重要科学前沿之一。传统上，固体材料可以根据其导电性质分为绝缘体和导体，其中绝缘体材料在费米能级有一个能隙，因此没有*载流子。金属材料在费米能级具有有限的电子态密度，因此具有*载流子。拓扑绝缘体是一种非常特殊的绝缘体。这种材料的能带结构是典型的绝缘体类型。费米能级有一个能隙。然而，在这种材料的表面上总是有一个穿过能隙的狄拉克型电子态，这导致它的表面总是金属的。拓扑绝缘体的特殊电子结构是由其能带结构的特殊拓扑性质决定的。

拓扑绝缘体的发现和研究从根本上改变了人们对固体材料电子结构的理解，展示了能带拓扑结构的奇妙性质。目前，拓扑绝缘体研究的前沿包括拓扑绝缘体、磁性材料和超导材料复合体系中可能出现的新的量子现象及其在自旋电子学和拓扑量子计算中可能的应用。(资料来源:清华大学)