本征的磁性拓撲絕緣體是有望實現高溫量子反常霍爾效應的候選材料，近兩年來合成的MnBi₂Te₄是一種新型的本征層狀磁性拓撲材料，每層MnBi₂Te₄包含7個原子層，形成Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te七重層（SL）。在每個SL層内，Mn原子的磁矩鐵磁排列，而在兩個SL層之間，Mn原子磁矩反鐵磁耦合，形成A-type的反鐵磁結構，如圖1所示。理論計算表明MnBi₂Te₄的拓撲性質随層數有明顯的振蕩關系，這可能和其A-type的反磁結構對表面拓撲性質的影響有關。因此，揭示MnBi₂Te₄磁性随層厚的變化及其磁行為在外磁場、溫度下的具體演化規律對于進一步結合其拓撲性質和磁性的研究具有重要意義。

圖1 MnBi₂Te₄晶體結構以及磁結構

beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所、人工微結構與介觀物理國家重點實驗室葉堉課題組與合作者通過解離MnBi₂Te₄塊材獲得不同層數的樣品，并利用反射磁圓二向色性譜（reflective magnetic circular dichroism，RMCD）首次研究了從單層到少層的MnBi₂Te₄在層數、溫度、外磁場等參數空間下的磁行為，發現了本征磁性拓撲絕緣體材料MnBi₂Te₄中spin-flop場随層數變化的奇偶效應（odd-even layer-number effect），如圖2所示。基于此實驗現象，研究者利用一維線性鍊模型得到了層間交換耦合強度和磁各項異性能，并詳細解釋了在各個層數下樣品自旋翻轉随外加磁場的演化過程，以及在較厚偶數層樣品中的多步spin-flop（multistep spin-flop）過程，揭示了表面spin-flop（surface spin flop，SSF）和塊體spin-flop（bulk spin flop，BSF）的過程。工作通過實驗結果與理論結果的對照，有望為未來進一步揭示MnBi₂Te₄中磁性和拓撲性質的相互關系并利用層數、外場等調控磁性從而調控拓撲性質的提供重要基礎。

圖2 少層MnBi₂Te₄中磁性行為的奇偶效應及磁演化過程

随着溫度升高，磁性材料經曆反鐵磁到順磁的磁相變，通過對RMCD 信号的溫度拟合，能夠得到如圖3的層數-溫度磁相圖；在低于奈爾溫度範圍内，利用平均場近似模拟得到各個不同層厚樣品随溫度、外磁場下的磁相變演化，從而獲得在各個層厚下的樣品的磁場-溫度磁相圖。實驗結果和理論計算的一緻性證明了這一有限溫度模拟方法對于其他磁性材料體系也有一定的借鑒價值。

圖3 單層至9層MnBi₂Te₄光學照片及層數、溫度、外磁場依賴的磁相圖

該工作于2021年1月6日在線發表于學術期刊《物理評論X》（Physical Review X）上，文章題目為“Odd-even layer-number effect and layer-dependent magnetic phase diagrams in MnBi₂Te₄” (DOI: PhysRevX.11.011003）。beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所和人工微結構與介觀物理國家重點實驗室研究員葉堉、路建明和中國科學院物理所副研究員黃元為文章共同通訊作者，beat365官方网站博士研究生生楊詩祺、博士後徐曉龍與本科生朱堯峥為文章共同第一作者。MnBi₂Te₄塊材樣品由浙江工業大學許曉峰課題組制備。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、中國科學院青年創新促進會等支持。

文章鍊接：https://journals.aps.org/prx/pdf/10.1103/PhysRevX.11.011003