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課題組與中國人民大學夏天龍教授、中國科學院大學周武教授、北京理工大學黃元教授等合作，首次揭示了本征磁性拓撲絕緣體MnBi₄Te₇和MnBi₆Te₁₀在二維極限下鐵磁-反鐵磁共存的磁基态及其交換偏置效應。2022年12月10日，相關研究成果以 “MnBi₄Te₇和MnBi₆Te₁₀中的鐵磁-反鐵磁共存基态和交換偏置效應”（Ferromagnetic-antiferromagnetic coexisting ground state and exchange bias effects in MnBi₄Te₇ and MnBi₆Te₁₀）為題發表于《自然·通訊》（Nature Communications）上。

由MnBi₂Te₄和Bi₂Te₃交錯排列形成的天然超晶格結構MnBi_2nTe_3n+1 (n = 2, 3)具有本征的磁性和拓撲性質，使得這類材料為實現新奇拓撲量子态提供了具有廣闊前景的研究平台。MnBi₄Te₇ (n=2)和MnBi₆Te₁₀ (n = 3)中的磁性MnBi₂Te₄層分别被一層和兩層非磁性層Bi₂Te₃隔開，這使得層間的磁耦合大大降低，有望在更低的磁場甚至是零場下實現量子反常霍爾效應。然而，該材料體系在二維極限下的磁性研究目前仍是空白，這嚴重阻礙了基于該材料體系的量子現象的研究。

因此，我們通過機械解理獲得了層數變化的少層樣品，利用反射磁圓二向色性譜（RMCD）首次揭示了這兩種材料在二維極限下鐵磁-反鐵磁共存的磁基态（圖1. a-e）。其随外磁場的磁演化過程表現為激光斑點（直徑約2 μm）内共存的鐵磁（在H_c處發生翻轉）和反鐵磁（在H_f處發生翻轉）成分的磁翻轉，且反鐵磁（鐵磁）成分的占比随厚度增加逐漸增大（減小），但随溫度幾乎保持不變（圖1. f-g），這與其鐵磁-反鐵磁共存的磁基态起源息息相關。

圖1. a-b：MnBi₆Te₁₀少層樣品光學照片及表面形貌掃描圖；c：少層MnBi₆Te₁₀ RMCD-μ₀H磁翻轉曲線；d-e： 3層MnBi₆Te₁₀溫度依賴的磁翻轉；f-g：鐵磁-反鐵磁占比随厚度及溫度變化

通過掃描透射電子顯微鏡（STEM）及單晶X射線衍射（SC-XRD）對晶格結構的研究，發現MnBi_2nTe_3n+1 (n = 2, 3)材料在空間上分布着普遍存在的Mn占據Bi原子的Mn_Bi替位缺陷（圖2. a-b），Mn_Bi缺陷之間在Bi層内鐵磁耦合，但Mn_Bi與本征Mn磁性層之間反鐵磁耦合（圖2. c-d）。這将導緻層間反鐵磁态和鐵磁态能量差随着Mn_Bi缺陷濃度的增加（及Mn空位增多）而增加，甚至出現反号（即從反鐵磁基态到鐵磁基态），對應樣品磁基态的改變。由此，空間分布不均勻的缺陷将對其層間耦合産生對應的空間調制，導緻樣品中空間分布的鐵磁-反鐵磁共存的磁基态。

圖2. a-b MnBi₆Te₁₀截面STEM及元素空間掃描圖；c-d MnBi₆Te₁₀（及MnBi₄Te₇）中鐵磁與反鐵磁基态結構

由于鐵磁-反鐵磁共存的磁基态，鐵磁與反鐵磁成分之間的相互耦合有望為我們提供新奇的交換偏置（EB）現象。基于此，在MnBi₄Te₇和MnBi₆Te₁₀少層樣品中觀測到了偏置方向可控的EB效應。該EB效應不需要複雜的升溫再帶場降溫的過程，僅需施加單一極化初始磁場即可實現偏置方向的改變（圖3）。合作工作為磁性材料中磁序的精細調控提供了一種新的思路，為基于MnBi₄Te₇和MnBi₆Te₁₀的量子現象的研究及其應用提供了磁性研究基礎。

圖3. a-b 6層MnBi₄Te₇和MnBi₆Te₁₀中方向可調的交換偏置效應；c-f溫度依賴的交換偏置行為

 beat365博雅博士後（現為北京理工大學預聘教授）徐曉龍、beat365交叉學院2018級博士研究生楊詩祺為論文共同第一作者；中國人民大學夏天龍教授、中國科學院大學周武教授、北京理工大學黃元教授和beat365葉堉研究員為論文共同通訊作者；主要合作者還包括中國人民大學雷和暢教授，beat365羅昭初研究員、楊金波教授，北京理工大學王業亮教授等。

上述研究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，以及beat365長三角光電科學研究院等支持。

文章鍊接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-35184-7