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磁性拓扑绝缘体表面态的奇异磁性
Time:2014-11-04

日前,上海交通大学物理与天文系的低维物理与界面工程实验室高春雷特别研究员、贾金锋教授在《物理评论快报》发表了题为《Identifying Magnetic Anisotropy of the Topological Surface State of Cr0.05Sb1.95Te3 with Spin-Polarized STM》 (用自旋极化扫描隧道显微镜确认Cr0.05Sb1.95Te3拓扑表面态的磁各向异性)的文章【Phys. Rev. Lett. 111, 176802(2013)】。

 

拓扑绝缘体是一类当前科学前沿领域新兴的具有新奇物性的量子材料,这种材料体内绝缘而表面有受拓扑保护的导电金属电子态。理论研究预言:当拓扑表面态中存在磁矩,磁矩会自发向面外排列,形成的磁畴边界将会存在量子化的一维导电电子通道,即量子反常霍尔效应。尽管实验上进行了很多努力,但均没有发现有效证据能够证明拓扑表面态被磁性调制。2013年在对超薄的分子束外延磁性拓扑绝缘体薄膜的输运测量中,薛其坤教授研究团队取得了重大的研究进展,他们突破性地测得了量子反常霍尔效应的信号。但是关于表面态调制磁序的理论预言依然有待于证实,甚至有实验证据表明拓扑绝缘体表面的少量磁性原子会呈现面内各向异性。

 

在这个研究工作中,采用的是与测得量子反常霍尔效应的体系相同的Cr掺杂的Sb2Te3体材料。振动样品磁强计的测量表明该材料的磁性表现为理想的c轴易轴铁磁性,即易轴完全垂直于层状解离面,而面内方向几乎没有探测到磁滞现象。这个结果与先前研究结果非常一致。然而,针对材料表面的磁性尚未被研究过,因为表面磁性的测量长期以来是一个难题,尤其拓扑绝缘体的表面一般定义为最表层1nm左右。上海交大研究团队采用的是可以探测自旋非平衡分布的自旋分辨扫描隧道显微镜技术,这种方法对表面电子态的探测分辨率为<0.1nm,完全满足空间分辨要求。在进行面外测量的时候,他们得到了矫顽力50Gs的易轴特性,这与体材料测量完全一致。而在进行面内测量的时候,他们不但观测到体测量也有的1T处的饱和现象,并且还发现了500Gs矫顽力的一个新的磁滞信号。通过在隧道能谱中看自旋分辨,他们对不同能量的面内磁滞回线进行分析,得到了两组不同的自旋极化率,一组代表面外易轴磁矩在面内的饱和行为,另一部分是面内500Gs矫顽力的磁滞行为。进一步的研究发现在材料的能隙中,体磁性的部分信号为零,而面内磁滞行为的信号在能隙中不为零。在能隙中的电子态密度完全由表面态贡献,说明了面内奇异的磁性与表面态有关。

 

目前关于拓扑绝缘体磁性较为广泛的认识是Van Vleck机制,但它不能解释表面态对磁性的影响。他们的研究表明拓扑绝缘体表面磁性非常复杂,这种机制下的磁性模型与实验结果不符,因此,拓扑绝缘体磁性的理论还有待进一步完善。交大物理系这一研究发现不仅仅对于如何构造量子反常霍尔元件有指导意义,对于这一体系的磁性原理的理解也有重要启发,是拓扑绝缘体磁性方面的研究的重要进展。

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