近來，本征二維磁性拓撲絕緣體錳铋碲（MnBi₂Te₄）材料因觀測到陳絕緣體、軸子絕緣體等一系列新奇的量子現象而備受關注。相較MnBi₂Te₄材料，MnSb₂Te₄材料的制備窗口更大，此前研究發現Mn（錳）和Sb（銻）原子的替位濃度會随着生長條件的不同而不同，進而改變材料的磁基态。因此，在二維極限下，揭示鐵磁和反鐵磁的MnSb₂Te₄材料在層數、溫度、外磁場參數空間下的磁狀态，對進一步開展其拓撲性質研究具有重要意義。

beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所、納光電子前沿科學中心、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室葉堉研究員與北京理工大學黃元教授、中國人民大學雷和暢教授等合作，首次開展了MnSb₂Te₄材料在二維極限下的研究。聯合研究團隊利用機械剝離的方法分别對反鐵磁相和鐵磁相的塊材MnSb₂Te₄進行減薄，獲得不同層數的薄層樣品（圖1），并通過反射磁圓二向色性譜（RMCD）研究了樣品的磁演化。

圖1 （a）MnSb₂Te₄原子結構圖；（b～e）少層樣品表征以及四層反鐵磁相和鐵磁相MnSb₂Te₄的磁演化

在反鐵磁相研究中（圖2），1～9層樣品呈現典型的A型反鐵磁行為，體現出明顯的奇偶層數震蕩效應。在奇數層中，樣品因未補償的一層淨磁矩在零場附近出現遲滞回線，并随磁場增加，除1層樣品外均經曆一次“自旋-翻轉”（spin-flop）過程，最後達到磁飽和态。而在偶數層中，因不再有未補償的淨磁矩，零場附近遲滞回線消失；在大于2層的樣品中，随着磁場增大，會先經曆一次表面“自旋-翻轉”過程，達到一個共線的M2态（磁矩為2層MnSb₂Te₄的靜磁矩），也就是磁矩與外磁場反平行的表面層磁矩從與磁場反平行翻轉到了與磁場平行，之後，再經曆體“自旋-翻轉”過程，最後達到磁飽和态。聯合研究團隊通過一維線性鍊模型拟合實驗數據，獲得材料的各向異性能和層間相互作用能，從理論上得到了不同層數反鐵磁樣品的磁演化過程。并發現反鐵磁相MnSb₂Te₄的各項異性能與相互作用能的比值略大于MnBi₂Te₄中的該比值，解釋了在MnBi₂Te₄中沒有觀測到穩定M2态的原因，由此也為研究共線M2态下的量子輸運性質研究提供了一個材料體系。

圖2 反鐵磁相MnSb₂Te₄中層數依賴的磁演化行為

在鐵磁相研究中（圖3），少層樣品的磁演化與層數之間沒有明顯的依賴關系。相比于厚層樣品，在少層樣品中觀察到更大的矯頑場，這可能是由磁各向異性能變大以及屏蔽作用的減小引起的。較大的各向異性能使得少層樣品在低于居裡溫度的整個測量溫度範圍内一直保持單疇的行為；厚層樣品随着溫度升高，單疇行為難以保持，會出現明顯的迷宮疇，在零場下測得疇的尺寸約為625 nm。

圖3 少層鐵磁相MnSb₂Te₄的磁演化行為及厚層樣品中的迷宮疇

2022年1月3日，相關研究成果以“MnSb₂Te₄中層數依賴的反鐵磁和鐵磁行為”（Layer-Number-Dependent Antiferromagnetic and Ferromagnetic Behavior in MnSb₂Te₄）為題在線發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）；beat365官方网站2017級博士研究生臧之昊為第一作者，葉堉、黃元和雷和暢為共同通訊作者，合作者還包括北京理工大學劉立巍教授、王業亮教授，beat365高鵬研究員、楊金波教授。

上述研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金以及beat365電子顯微鏡實驗室等支持。

論文原文鍊接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.017201