中心成員在磁性摻雜拓撲絕緣體的輸運性質研究方面取得進展

磁性材料中的磁電阻行為一直是自旋電子學研究中重要的前沿領域之一。例如，巨磁阻效應的發現不僅揭示了自旋相關輸運的新現象，而且引起了信息技術的革命。近年來發現的拓撲絕緣體具有受拓撲保護的狄拉克型的金屬表面态，其中磁性與拓撲表面态的相互作用會引起量子反常霍爾效應和鏡像磁單極等新奇的拓撲量子态。具有長程鐵磁序的拓撲絕緣體薄膜可以看成是兩層具有不同手性的狄拉克費米子中間夾着一層鐵磁體，對其磁有序态和磁阻行為的研究具有很高的學術價值和應用前景。

最近，量子物質科學協同創新中心、清華大學物理系的博士研究生張祚成和馮硝等在導師王亞愚、何珂和薛其坤的指導下，對具有長程鐵磁序的拓撲絕緣體薄膜進行了系統的輸運性質研究。他們利用分子束外延技術生長了Cr0.15(Bi0.1Sb0.9)1.85Te3拓撲絕緣體薄膜，并将其加工成場效應管結構。通過改變外加栅極電壓，他們可以精确調節該器件的費米能級，進而發現了豐富而複雜的磁阻行為。特别是，當材料費米能離狄拉克點很近的時候，磁阻随着磁場增大而增大，而當材料費米能遠離狄拉克點的時候，磁阻随着磁場增大而減小。這種行為與拓撲表面态的局域化理論預言相反，而與該材料中鐵磁性的強度緊密相連。他們的分析表明這種複雜磁阻行為的物理機制是由拓撲引起的弱反局域化與鐵磁性引起的負磁阻效應的競争而引起的。

這項工作揭示了拓撲絕緣體中鐵磁序以及磁電阻的新行為，而利用外加電場對磁效應的原位調控為該材料在自旋電子學器件中的應用提供了便利。該研究成果以“Electrically tuned magnetic order and magnetoresistance in a topological insulator”為題發表在9月15日的Nature Communications上。