深圳六碳科技和復(fù)旦大學(xué)合作的二維量子材料MBT文章在《Science》 上發(fā)表:Quantum anomalous Hall effect in intrinsic magnetic topological insulator MnBi2Te4
深圳六碳科技負(fù)責(zé)了論文中可以測(cè)到量子霍爾效應(yīng)和量子反?；魻栃?yīng) 的MnBi2Te4 二維晶體的生長(zhǎng)。
下文轉(zhuǎn)自：復(fù)旦大學(xué)新聞網(wǎng)（https://news.fudan.edu.cn/2020/0124/c4a103908/page.htm）
近日，復(fù)旦大學(xué)張遠(yuǎn)波、王靖和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系陳仙輝合作團(tuán)隊(duì)首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)在本征磁性拓?fù)浣^緣體錳鉍碲（MnBi2Te4）中觀測(cè)到量子反?；魻栃?yīng)。該研究將為未來(lái)本征材料體系中拓?fù)湮锢淼难芯块_(kāi)辟新思路。北京時(shí)間1月24日，有關(guān)研究成果以《本征磁性拓?fù)浣^緣體錳鉍碲中的量子反?；魻栃?yīng)》（“Quantum anomalous Hall effect in intrinsic magnetic topological insulator MnBi2Te4”）為題于《科學(xué)》（Science）雜志在線發(fā)表（DOI:10.1126/science.aax8156）。
一般而言，一個(gè)材料的電阻依賴(lài)于材料的幾何形狀。而 量子力學(xué)預(yù)言了這樣一類(lèi)材料，它的電阻不再依賴(lài)于材料的幾何形狀、缺陷等性質(zhì)。任意從這種材料的薄膜上切下一塊，它的縱向電阻（Rxx）為零，橫向電阻（Ryx）將是一個(gè)精確的物理常數(shù)(h/e2,其中h為普朗克常數(shù),e為基本電荷),這就是量子反?；魻栃?yīng)。
“一沙一世界”——一塊晶體反映了這個(gè)宇宙的結(jié)構(gòu)。量子反?；魻栃?yīng)正是微觀電子的量子現(xiàn)象在宏觀尺度下精確而完美的體現(xiàn)，也是這個(gè)真實(shí)世界奇異性的極致體現(xiàn)。此外，量子反?；魻栃?yīng)中無(wú)損耗的導(dǎo)電邊緣態(tài)和量子化的電阻可能在電子學(xué)器件、精密測(cè)量方面具有應(yīng)用價(jià)值，具有量子反?；魻栃?yīng)的材料體系也是實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑?jì)算的方案之一。
張遠(yuǎn)波課題組制備出了錳鉍碲少層電輸運(yùn)器件，并在其高質(zhì)量的五層單晶中分別觀察到了量子反常霍爾效應(yīng)和常規(guī)量子霍爾效應(yīng)。這也是科學(xué)家首次在單一器件里同時(shí)觀測(cè)到量子反?；魻栃?yīng)和量子霍爾效應(yīng)。
據(jù)介紹，實(shí)現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng)的材料體系需要兼具磁性和拓?fù)湫再|(zhì), 條件非?？量?。清華大學(xué)薛其坤團(tuán)隊(duì)于2013年首次在磁性原子摻雜的拓?fù)浣^緣體薄膜中觀測(cè)到量子反常霍爾效應(yīng)。該材料中無(wú)損耗的導(dǎo)電邊緣態(tài)可以在沒(méi)有外部磁場(chǎng)的環(huán)境下存在，若被應(yīng)用到電子學(xué)器件中，有望解決發(fā)熱耗能等問(wèn)題，推動(dòng)量子材料領(lǐng)域革命性發(fā)展。此后，凝聚態(tài)物理學(xué)和材料學(xué)領(lǐng)域一直在尋找更好的材料體系，希望能夠探索軸子電動(dòng)力學(xué)、分?jǐn)?shù)量子反常霍爾效應(yīng)等全新未知的物理現(xiàn)象；或在更寬松的條件下實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)，拓展其在精密測(cè)量、電子學(xué)器件方面的應(yīng)用潛力。
然而，依托摻雜磁性原子的方法所得磁性拓?fù)浣^緣體生長(zhǎng)難度大，磁性原子雖作為磁性引入的手段，同時(shí)以雜質(zhì)形式存在于材料之中，使材料質(zhì)量受到限制，增加了在實(shí)驗(yàn)上獲得高溫高質(zhì)量的量子反?；魻栃?yīng)的難度。直到最近，首個(gè)本征磁性拓?fù)浣^緣體錳鉍碲被理論預(yù)言并成功制備，備受研究者矚目。該材料體系無(wú)需依賴(lài)于外來(lái)?yè)诫s，本身兼具磁性和拓?fù)涞碾p重屬性，故少層的錳鉍碲有可能實(shí)現(xiàn)高溫量子反?；魻栃?yīng)。
A：少層MnBi2Te4單晶的電輸運(yùn)器件；B：五層MnBi2Te4的原子結(jié)構(gòu)；C：五層MnBi2Te4單晶中的量子反?；魻栃?yīng)。
塊體的錳鉍碲像石墨一樣是層狀的范德瓦爾斯晶體，可以機(jī)械解理成少層單晶。張遠(yuǎn)波團(tuán)隊(duì)從塊體材料出發(fā)，運(yùn)用之前在二維材料領(lǐng)域發(fā)展而來(lái)的技術(shù)來(lái)解理和制備器件，以探索范德瓦爾斯材料中的量子反?；魻栃?yīng)及相關(guān)的新物理。研究人員剝離獲得三、四、五層錳鉍碲單晶，制備了錳鉍碲的少層電輸運(yùn)器件，并在外磁場(chǎng)下觀測(cè)到由層間反鐵磁耦合帶來(lái)的豐富磁結(jié)構(gòu)。
張遠(yuǎn)波團(tuán)隊(duì)進(jìn)而將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向高質(zhì)量的五層單晶，在1.4開(kāi)爾文、零磁場(chǎng)條件下觀測(cè)到量子反?；魻栃?yīng)；并且在同一塊樣品加入載流子后在高磁場(chǎng)中進(jìn)一步觀測(cè)到常規(guī)的量子霍爾效應(yīng)。令研究團(tuán)隊(duì)感到驚喜的是，從塊體材料出發(fā)制備的本征磁性拓?fù)浣^緣體少層單晶的質(zhì)量已經(jīng)可與最好的磁性摻雜拓?fù)浣^緣體薄膜媲美，而這僅僅是對(duì)于該材料研究的起點(diǎn)， 以錳鉍碲為代表的這類(lèi)范德瓦爾斯材料將為未來(lái)的研究提供更多的可能性?；谝陨习l(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步探索量子反?；魻栃?yīng)以及相關(guān)的新物理。
復(fù)旦大學(xué)教授張遠(yuǎn)波、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系教授陳仙輝、復(fù)旦大學(xué)教授王靖為論文共同通訊作者，王靖教授預(yù)言了錳鉍碲少層中的拓?fù)洮F(xiàn)象，為實(shí)驗(yàn)提供了理論支持，陳仙輝教授課題組和六碳科技許子寒負(fù)責(zé)塊體材料生長(zhǎng)，為實(shí)驗(yàn)提供了高質(zhì)量單晶，張遠(yuǎn)波教授課題組從塊體單晶出發(fā)制備了器件并進(jìn)行了測(cè)量。我系博士生鄧雨君、博士后於逸駿、中科大物理系博士生石孟竹為論文共同第一作者。
