徐勇、段文晖研究组在量子反常霍尔绝缘体研究中取得进展
2023年1月10日
量子反常霍尔绝缘体是一种可在零磁场下实现量子化霍尔电导的新奇磁性拓扑物态，为探索无耗散电流、拓扑磁电效应、马约拉纳费米子等演生量子效应提供了理想的研究平台。优化量子反常霍尔绝缘体的物性（如能隙、手性）对基础研究与器件应用至关重要。值得一提的是，量子反常霍尔绝缘体的手性（chirality）决定了其拓扑边缘态的绕向[图(a)]，这一基本性质极其重要但缺乏深入研究。先前实验在Cr掺杂的(Bi,Sb)2Te3薄膜和内禀磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4中观测到手性相反的量子反常霍尔绝缘态，其物理起源尚不清楚。事实上，相反手性态的存在表明量子反常霍尔绝缘体中存在相互竞争的能隙打开机制，这也暗示着决定能隙与手性的物理机制彼此联系，相互影响。理解手性和能隙相关的微观物理机制并应用于指导量子反常霍尔绝缘体的物性调控是该领域的一个关键科学问题。
量子反常霍尔绝缘体的手性与能隙机制示意图。(a) 左/右手性的量子反常霍尔绝缘体示意图。(b) 量子反常霍尔绝缘体材料的第一性原理数据库。(c-e) 三类量子反常霍尔绝缘体示意图。其中，磁交换与自旋轨道耦合相互作用，可贡献符号相反的狄拉克质量项。
清华大学物理系徐勇、段文晖研究组基于量子反常霍尔绝缘体材料的第一性原理数据库，系统地研究了决定量子反常霍尔绝缘体手性和能隙的微观物理机制。该工作将量子反常霍尔绝缘体手性/能隙与狄拉克质量项的符号/大小联系起来，探索磁交换作用和自旋轨道耦合之间的协同作用，并建立起理解量子反常霍尔绝缘体物性的一般物理图像。量子反常霍尔绝缘体的能隙由自旋轨道耦合和磁交换的共同作用产生，二者中较弱的耦合作用对低能物理起决定作用。例如，在磁性掺杂的拓扑绝缘体和内禀磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4家族材料中，磁交换作用决定其低能有效物理。该研究发现，由于拓扑电子态具有独特的空间分布，经典磁性半导体理论中忽略的库仑交换作用在磁性拓扑材料中起到至关重要的作用，是影响手性和能隙的关键机制。更进一步地，该工作提供了预测量子反常霍尔绝缘体物性的简单指标，提出通过操控竞争或协同的狄拉克质量贡献机制来实现物性调控，并给出多种材料设计策略，如磁性共掺杂、异质结工程、自旋轨道近邻等。该工作揭示的普适物理机制及提供的物性优化方案对磁性拓扑物理与材料的研究具有重要指导价值。
该成果以“Controllable Chirality and Band Gap of Quantum Anomalous Hall Insulators”为题，于2022年12月20日在线发表在Nano Letters上。清华大学物理系徐勇教授和段文晖教授为该论文的通讯作者，研究组博士生许祗铭为第一作者。该工作得到了自然科学基金委基础科学研究中心、杰出青年科学基金和科技部重大专项等项目单位的支持。