物理系杨乐仙等研究组在磁性拓扑绝缘体研究中取得重要进展
2019年11月25日
近日，物理系杨乐仙等研究组利用实验室自主搭建的深紫外激光光源的角分辨光电子能谱系统（ARPES），与物理系的徐勇课题组合作，从实验上澄清了行业内最近关于反铁磁拓扑绝缘体MnBi2Te4的拓扑表面态的争论。研究表明，MnBi2Te4的拓扑表面态的能隙远小于理论预言的大小，并且首次观察到了体态电子结构和体系反铁磁序的相互作用。相关工作以“Topological Electronic Structure and Its Temperature Evolution in Antiferromagnetic Topological Insulator MnBi2Te4”为题于11月22日在线发表在Physical Review X杂志上，并被选为Featured in Physics系列文章在physics杂志上做了专门报道
拓扑量子材料是一类具有特殊对称性的材料，其电子结构受到对称性相关的拓扑不变量保护。当这些对称性受到破坏时，由于系统的维度、轨道、自旋及对称性等相互影响，系统将会衍生出一系列有趣的宏观物理现象及拓扑相变。以时间反演对称性为例，当在拓扑绝缘体中引入磁性破坏时间反演对称性时，其无能隙的拓扑表面态会打开能隙，并在边界形成自旋-轨道锁定的手性边界态，进而可实现量子反常霍尔效应；对磁序结构的进一步调控还可以诱导更为深刻的拓扑陈绝缘体到拓扑轴子绝缘体的量子相变现象。此前，物理系徐勇团队理论预言的MnBi2Te4体系 [Sci. Adv. 5, eaaw5685 (2019)] 便是这样一类在表面破缺时间反演对称性的磁性拓扑绝缘体系统，并在国际领域引发强烈关注，虽然科学家已经在机械剥离的薄膜样品中观察到了强磁场下的反常量子霍尔平台以及轴子绝缘体到陈绝缘体的转变等新奇现象，但是关于该体系基本的拓扑电子结构信息，尚未有比较系统性的研究，并且已有的研究结果之间关于该体系非常重要的拓扑表面态的刻画尚不明确甚至互相矛盾。因此，对该材料进行更加系统的电子结构研究，对于深入挖掘其物理性质及研究磁性-拓扑之间的微妙相互作用尤为重要。
利用基于高分辨率（能量、动量）的同步辐射光源及超高分辨率的激光光源的ARPES系统，杨乐仙等研究团队对MnBi2Te4中的拓扑电子结构进行了全面且系统性的研究。通过测量能带结构随光子能量的演化，他们首次从材料的复杂电子结构中分辨出了与理论预言所不一致的、几乎无能隙的表面态【图1(a)】。通过更高分辨率的激光光源，可以更为清晰的看到这个无能隙的拓扑表面态【图1(b)】；同时，随着体系温度的变化，MnBi2Te4的体态表现出奇特的能带劈裂现象，并且随着体系温度高于反铁磁转变温度（25 K）而消失【图1(c, d)】。研究组认为，之所以会出现预料之外的无能隙拓扑表面态，可能与MnBi2Te4体系的表面磁矩没有形成一致的面外取向有关，这引发了科学家们对于这一重要体系的进一步思考，并且为在该系统中研究磁性与拓扑物态之间的相互作用提供了重要支撑。
图1：MnBi2Te4电子结构。 (a) 体带与理论计算对比及其随光子能量的演化；(b-d) 激光ARPES结果及体带随温度演化情况。
清华大学物理系博士生陈宇杰、李佳恒，上海科技大学博士生徐丽璇和牛津大学博士后李一苇为文章的共同第一作者，清华大学杨乐仙副教授及上海科技大学柳仲楷助理教授为文章的通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委员会、科技部、清华大学低维量子物理国家重点实验室等项目单位的资助。