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物理所发现磁性拓扑绝缘体中的双分量反常霍尔效应

  

   反常霍尔效应是磁性材料的基本输运性质之一。经过长达一百多年的研究,直至本世纪初物理学家们才认识到反常霍尔效应与电子能带的贝里曲率相关。近年来,磁性拓扑绝缘体中的自旋结构、贝里曲率和反常霍尔效应之间的关系受到了广泛的关注。一个重要的实验进展是在Cr、V等掺杂的(Bi,Sb)2Te3薄膜中观察到了量子反常霍尔效应。然而对于磁性掺杂的拓扑绝缘体Bi2Se3,虽然角分辨光电子能谱(ARPES)实验观察到了具有能隙的表面态,人们却从未在这个体系中观察到量子反常霍尔效应。其中,最令人费解的是Mn掺杂的Bi2Se3,尽管有不少实验证实其体态和表面态存在铁磁有序,但反常霍尔效应的实验观测还未被报道过。最近的一项研究甚至还指出ARPES实验中观测到的(Mn,Bi)2Se3表面态的能隙来源于与掺杂原子有关的非磁性共振散射,从而不支持之前关于表面态自旋结构的实验结论。

  针对上述(Mn,Bi)2Se3基态自旋结构方面的争议,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件实验室N08组的博士生刘楠、滕静副研究员和李永庆研究员对Mn掺杂的Bi2Se3开展了系统的薄膜制备和电子输运性质研究。他们不仅在这个体系中观测到了反常霍尔效应,并且发现随着Mn掺杂浓度的提高,反常霍尔电阻的符号由正变为负。类似的反常霍尔电阻的符号改变也可以通过改变栅压来实现。他们还发现符号为正负的这两种反常霍尔电阻可以在很宽的参数范围内共存并且呈现出截然不同的对掺杂浓度和栅压的依赖关系。数据分析表明,反常霍尔电阻的这两个分量很可能分别来源于系统体态和表面态中不同的磁有序。这种双分量的反常霍尔效应的实验观察尚属首次,以前从未在磁性掺杂的拓扑绝缘体或其他磁性材料中被观测到。这些研究结果表明反常霍尔效应为理解磁性掺杂、拓扑绝缘体表面态和体态之间的复杂相互作用以及该体系中多种磁有序之间的竞争提供了一个灵敏和方便的手段,这对利用拓扑绝缘体寻找新型的自旋结构以及制备更高质量的磁性拓扑绝缘体材料具有重要的意义。

  相关研究结果发表于N. Liu, J. Teng & Y. Q. Li, Nature Communications 9, 1282 (2018)。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委员会和中国科学院的资助。

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图1 (a)电子输运测量中使用的带有背栅的霍尔器件示意图。(b)SrTiO3(111)衬底上生长的10 nm厚(Bi1−xMnx)2Se3(x=0.02)薄膜的原子力显微镜形貌图及原位反射高能电子衍射斑。

图2 (a)不同Mn掺杂浓度的(Bi1−xMnx)2Se3样品的霍尔电阻Ryx和反常霍尔电阻RAH随磁场的变化。(b) 不同栅压下(Bi1−xMnx)2Se3(x=0.02)样品的RyxRAH随磁场的变化。