近年來，尋找可實現較高溫量子反常霍爾效應的磁性拓撲絕緣體是凝聚態物理研究的壹個重要方向。磁性拓撲絕緣體是壹種全新的量子態，對於某些特定磁結構的拓撲絕緣體，它可以呈現“量子反常霍爾效應”和“軸子絕緣態”。量子反常霍爾效應是霍爾效應家族的重要成員，具有本征的量子化霍爾電導，相應的材料被稱為陳絕緣體。它的體態是絕緣的，量子化電導率來自於邊緣態導電電子，這種電子通道是無耗散的，可用來設計低功耗電子器件。軸子絕緣體具有特定表面的絕緣行為，其霍爾電導和縱向電導均為零，具有半整數化表面量子反常霍爾效應和拓撲磁電效應。然而，由於缺乏合適的材料，軸子絕緣體只能通過零霍爾電導平臺間接給出。如果能夠找到可觀測半整數量子反常霍爾效應的材料，則可以給出軸子絕緣體直觀的證據。
2018年以來，壹種內稟的本征反鐵磁拓撲絕緣體MnBi2Te4，及MnBi2Te4-(Bi2Te3)n家族為磁性拓撲材料的研究提供了新思路。然而，通過角分辨光電子能譜儀(angle-resolved photoemission spectroscopy, ARPES)能帶測量發現，MnBi2Te4、MnBi4Te7和MnBi6Te10 (n = 0, 1, 2) 表面態能帶是幾乎無能隙的狄拉克錐。其中，MnBi2Te4無能隙的表面態首先由南科大物理系副教授劉暢、劉奇航和量子科學與工程研究院副研究員陳朝宇團隊聯合研究發現，已發表在 Physical Review X 上 [Yu-Jie Hao et al., Phys. Rev. X. 9, 041038 (2019)]。這使得軸子絕緣體和量子反常霍爾效應的實現遇到了挑戰。目前，盡管科學家們已經通過ARPES在其他磁性拓撲材料中觀測到能隙打開的現象，但能隙打開與磁性的關聯未被確認。
量子科學與工程研究院副研究員陳朝宇、物理系副教授劉奇航和物理系副教授劉暢研究團隊，通過進壹步構建MnBi2Te4與Bi2Te3異質結，實現壹種鐵磁構型的拓撲絕緣體MnBi8Te13，它保持了MnBi2Te4層的拓撲性和磁性，而且具有低矯頑磁場和異質結構。通過高分辨率激光ARPES的變溫測試，他們觀察到MnBi8Te13表面態在鐵磁相打開能隙，能隙隨溫度的降低而增加，並在順磁相時關閉。這是首次在實驗上觀測到磁性拓撲絕緣體中磁性調控能隙打開和關閉現象（圖1）。
圖1 MnBi8Te13的磁性面，MnBi2Te4層的狄拉克錐（Dirac cone）能帶（“X”型能帶）在鐵磁相打開能隙及能隙大小隨溫度的變化
由於MnBi8Te13特殊的超晶格結構，研究組在計算上通過設計上、下表面分別為磁性MnBi2Te4面和非磁性Bi2Te3面的非對稱超晶格薄膜（圖2），得到半量子化霍爾電導 (e2/2h)。這不僅為軸子絕緣體提供直接的證據，而且將有可能實現新的量子態。
圖2 分別在對稱和非對稱結構的MnBi8Te13超晶格薄膜中實現整數量子反常霍爾效應和半整數量子反常霍爾效應
此項成果獲得審稿人高度評價，被認為是有趣且重要的發現 (This is an interesting and potentially important observation)，並強烈推薦發表在PRX上 (I strongly recommend publishing this article in PRX)。物理系劉暢課題組研究助理教授路瑞娥、劉奇航課題組研究助理教授孫紅義、陳朝宇課題組博士生王淵和日本廣島同步輻射中心束線科學家 Shiv Kumar為本文***同第壹作者。陳朝宇、劉奇航、劉暢和日本廣島同步輻射中心束線科學家 Eike F. Schwier為本文通訊作者。南方 科技 大學量子科學與工程研究院和物理系為文章第壹單位。本文由南科大量子研究院與物理系、日本廣島同步輻射光源實驗室、南方 科技 大學-廣東省計算科學與新材料設計重點實驗室單位合作完成。
本課題的開展和完成得到了國家自然科學基金、深圳市高等專項基金、廣東省創新創業團隊、國家重點研發計劃、深圳市科創委重點項目、廣東省重點實驗室、以及南科大超算中心的支持。
原文鏈接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.011039