磁性拓扑量子材料表现出一系列新奇的物性和丰富的物相，例如反常量子霍尔效应、拓扑轴子绝缘体相、磁性狄拉克和外尔半金属相等。当引入超导时磁性拓扑量子材料还是实现马约拉那费米子的重要材料平台。因此，拓扑量子材料在新一代自旋电子学器件例如无耗散的拓扑电子学和拓扑量子计算等领域具有重要的应用前景。近年来，本征的磁性拓扑绝缘体MnBi₂Te₄受到了极大的关注。输运实验发现机械剥离的MnBi₂Te₄薄膜表现出液氦温度下的反常量子霍尔效应、陈绝缘体到轴子绝缘体的相变等重要的性质。

       然而，针对MnBi₂Te₄的电子结构的研究仍与理论预言及输运实验存在偏差。杨乐仙课题组前期在体材料中的结果表明MnBi₂Te₄的电子结构虽然受到反铁磁序的调制，但是拓扑表面态却表现出近零能隙的特征 [Phys. Rev. X 9, 041040, (2019)]。此外，拓扑表面态在费米面以下100 meV的地方出现了异常 “扭折” 和能带展宽骤升，仍未得到很好的理解。目前对于MnBi₂Te₄的电子结构测量主要停留在块体材料中，薄膜体系电子结构的研究相对较少，限制了对该体系内丰富的物理性质的理解。前期的一些实验结果显示薄膜和体材料的电子结构存在巨大的差别，因此需要对薄膜体系的电子结构进行更加深入的研究。

图1. MnBi2Te4 薄膜与块状样品的电子结构演化。(a, b) MnBi2Te4薄膜及块体材料电子结构的对比示意图. (c) 表面掺杂后的MnBi2Te4薄膜与块体MnBi2Te4能带趋于一致。(d) MnBi2Te4薄膜电子结构随着表面钾原子掺杂的演化。

       近期，杨乐仙课题组与何珂、冯硝及徐勇课题组合作研究了本征磁性拓扑绝缘体MnBi₂Te₄薄膜的电子结构及其演化。实验发现随着层厚增加，MnBi₂Te₄薄膜的能带结构从单层的大能隙到三层演化出能隙中间态并形成拓扑表面态。理论计算表明单层和三层的拓扑陈数分别是0和1，表明随着层厚增加体系的拓扑性质发生了变化。在三层以上，薄膜的能带结构随层厚的演化趋于稳定，仅有谱重的略微变化。但是本征的薄膜的能带结构整体与块材的能带结构呈现较大差异：拓扑表面态延伸到了体导带中并且没有体材料中的Rashba劈裂的能带以及拓扑表面态的异常“扭折”。有趣的是，经过表面碱金属掺杂后，薄膜的Rashba带和拓扑表面态的异常“扭折”同时出现，整体与块材的能带结构呈现高度的相似性，表明Rashba表面态在MnBi₂Te₄体系中广泛存在。进一步在块材MnBi₂Te₄中的表面碱金属掺杂实验表明，Rashba带和拓扑表面态的异常 “扭折” 对表面掺杂的响应是同步的，表明拓扑表面态的异常 “扭折” 来源于Rashba表面态和拓扑表面态的杂化。结合拓扑绝缘体表面能带弯折的理论模型，计算模拟结果很好地契合了实验结果，印证了该Rashba能带来源于量子调制效应。这一实验进一步说明了表面掺杂对MnBi₂Te₄薄膜体系的拓扑表面态的有效调制。Rashaba带的存在可能在MnBi2Te4薄膜中实现Rashba 铁磁，为探索该体系中的（量子）反常霍尔效应提供了新的角度和思路。该研究成果以” Evolution of the Electronic Structure of Ultrathin MnBi₂Te₄ Films” 为题，在《纳米·快报》(Nano Letters)上在线发表。

       物理系2019级博士生许润哲和2016级博士生白云鹤是该工作的共同第一作者，通讯作者是物理系杨乐仙副教授及上海科技大学陈宇林特聘教授。合作者还包括物理系徐勇教授、物理系王立莉副研究员、何珂教授、冯硝副教授以及上海科技大学的柳仲楷教授。该工作受到科技部重点研发计划、国家自然科学基金以及低维量子国家重点实验室自主科研经费的支持。

       文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c02034