物理系在拓扑霍尔效应研究方面取得进展

2017年10月31日

磁性掺杂拓扑绝缘体中存在着量子反常霍尔效应等一系列新颖的拓扑量子现象,在未来自旋电子学和拓扑量子计算方面也可能有潜在的应用价值。此前人们对该体系的研究主要集中在动量空间的能带拓扑结构,而实际上磁性材料在实空间也可能展现如斯格明子等拓扑结构。

最近,物理系低维量子物理国家重点实验室的博士研究生刘畅、臧运祎、阮威等在导师王亚愚、何珂、薛其坤的指导下,利用分子束外延技术生长了高质量、厚度精密可控的Mn掺杂Bi2Te3拓扑绝缘体薄膜,并系统研究了薄膜厚度、温度以及栅极电压对输运现象的影响。霍尔效应的测量结果表明,较厚的三维薄膜(厚度大于等于5个原胞,即5 QL)展现通常铁磁材料具有的反常霍尔效应。然而伴随着材料体系从三维到二维的过渡,在薄膜厚度为4 QL时,霍尔效应中出现拓扑霍尔效应的特征性行为 (下图中绿色标识的区域)。随着薄膜厚度进一步降低到3 QL,体系进入典型的二维区间,拓扑霍尔效应不复存在。在4 QL的薄膜中,拓扑霍尔效应随栅极电压的依赖关系显示其与表面电子结构有密切关联。

 

他们进一步通过理论计算表明,Mn掺杂Bi2Te3的狄拉克型表面电子态传导的RKKY磁性耦合机制能够产生Dzyaloshinskii-Moriya (DM) 相互作用,而DM相互作用通常被认为是产生斯格明子、进而导致拓扑霍尔效应的必要条件。随着薄膜厚度的变化,拓扑绝缘体上下两个表面电子态经历了从相互分离到相互耦合到共同变弱,两者产生的DM相互作用也经历了从抵消到增强到消失的转变过程,从而解释了为什么只有特定层厚的薄膜才展现拓扑霍尔效应。

该项工作展示了磁性掺杂拓扑绝缘体维度变化对磁结构的影响,以及动量空间和实空间拓扑结构的相互关联,从而为精密操控拓扑绝缘体的磁结构和自旋输运现象提供了新线索。该研究成果以“Dimensional Crossover-Induced Topological Hall Effect in a Magnetic Topological Insulator”为题发表在10月27日的Physical Review Letter上,并且被选为编辑推荐文章(Editors’ Suggestion)。该项工作得到了国家自然科学基金委、科技部和北京未来芯片技术高精尖创新中心的支持。