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磁性拓扑绝缘体表面态的奇异磁性

日期:2014-11-03 阅读:1046

信息来源:贾金锋研究组

日前,上海交通大学物理与天文系的贾金锋教授研究组在《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。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,清华大学的薛其坤教授研究团队成功地生长出高质量的Cr掺杂的Sb2Te3薄膜材料并测得了量子反常霍尔效应的信号。但是,关于拓扑表面态调制磁序的理论预言依然有待证实。

对于Cr掺杂的Sb2Te3体材料,虽然已有实验证实其体态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,但针对该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。贾金锋研究组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。实验表面,面外测量中具有矫顽力为50Gs的易轴特性,这与体材料测量完全一致。而面内测量则不但观测到体测量时的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。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。

本工作得到了多个国家自然科学基金以及科技部973量子调控项目的资助。

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