来自量子世界的惊喜

诸平

The ferromagnetism of the topological insulator manganese bismuth telluride only arises when the atomic structure becomes disordered. For this, some manganese atoms (green) must be moved out of their original position (second green atomic plane from the top). Only when there are also manganese atoms in all planes with bismuth atoms (gray), the magnetic alignment of the manganese atoms is so contagious that ferromagnetism develops.

据德国维尔茨堡大学（University of Würzburg / Universität Würzburg）2023年3月21日报道，来自量子世界的惊喜（Surprise from the quantum world）。

来自德国维尔茨堡-德累斯顿量子物质的复杂性和拓扑结构（Complexity and Topology in Quantum Matter简称ct.qmat）卓越集群（Würzburg-Dresden Cluster of Excellence ct.qmat）的研究人员，设计了一种铁磁拓扑绝缘体（ferromagnetic topological insulator）——这是节能量子技术道路上的一个里程碑。相关研究结果于2023年2月17日已经在《先进材料》（Advanced Science）杂志网站发表——Abdul-Vakhab Tcakaev, Bastian Rubrecht, Jorge I. Facio, Volodymyr B. Zabolotnyy, Laura T. Corredor, Laura C. Folkers, Ekaterina Kochetkova, Thiago R. F. Peixoto, Philipp Kagerer, Simon Heinze, Hendrik Bentmann, Robert J. Green, Pierluigi Gargiani, Manuel Valvidares, Eugen Weschke, Maurits W. Haverkort, Friedrich Reinert, Jeroen van den Brink, Bernd Büchner, Anja U. B. Wolter, Anna Isaeva, Vladimir Hinkov. Intermixing-Driven Surface and Bulk Ferromagnetism in the Quantum Anomalous Hall Candidate MnBi6Te10. Advanced Science, First published: 17 February 2023. DOI: 10.1002/advs.202203239. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202203239

参与此项研究的除了来自德国维尔茨堡大学和德国维尔茨堡-德累斯顿量子物质的复杂性和拓扑结构卓越集群（Würzburg-Dresden Cluster of Excellence ct.qmat）的研究人员之外，还有来自德国德累斯顿莱布尼茨固态与材料研究所 (Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden / Leibniz Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden简称IFW Dresden, Germany)、阿根廷纳米科学和纳米技术研究所和巴尔塞罗研究所（Instituto de Nanociencia y Nanotecnología and Instituto Balseiro, Bariloche, Argentina）。德国海德堡大学（Heidelberg University, Philosophenweg, Germany）、德国柏林亥姆霍兹材料与能源中心（Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, Albert-Einstein-Straße, Berlin, Germany）、加拿大英属哥伦比亚大学（University of British Columbia, Vancouver, British Columbia, Canada）、加拿大萨斯喀彻温大学（University of Saskatchewan, Saskatoon, SK, Canada）、西班牙巴塞罗那ALBA同步加速器光源（ALBA Synchrotron Light Source, Barcelona, Spain）、荷兰阿姆斯特丹大学（University of Amsterdam, Netherlands）的研究人员。

量子物质的复杂性和拓扑结构卓越集群（Cluster of Excellence ct.qmat）创立于2019年，维尔茨堡-德累斯顿量子物质的复杂性和拓扑结构卓越集群（Würzburg-Dresden Cluster ct.qmat）是国际领先的拓扑和复杂量子物质研究中心。早在2019年，由材料化学家安娜·伊萨耶娃（Anna Isaeva，当时是维尔茨堡-德累斯顿量子物质的复杂性和拓扑结构卓越集群的初级教授）领导的国际研究团队通过制造第一个反铁磁拓扑结构取得了轻微的轰动绝缘体碲化锰铋（manganese bismuth telluride, MnBi₂Te₄）。

拓扑绝缘体碲化锰铋(MnBi₂Te₄)的铁磁性只有在原子结构变得无序时才会出现。为此，一些锰原子（上图中的绿色) 必须移出它们的原始位置（从顶部数第二个绿色原子平面）。只有当所有平面上都有锰原子和铋原子（上图中的灰色）时，锰原子的磁性排列才会如此具有传染性，从而发展出铁磁性。

这种神奇的材料不再需要强大的外部磁场——它带来了自己的内部磁场。这为新型电子元件提供了机会，这些电子元件可以对信息进行磁性编码并在表面上无阻力地传输信息。例如，这可以使信息技术在未来更具可持续性和节能性。从那时起，世界各地的研究人员一直在分析这种有前途的量子材料的不同方面。

MnBi₆Te₁₀取得的里程碑(Milestone achieved with MnBi₆Te₁₀)

基于MnBi₂Te₄，来自量子物质的复杂性和拓扑结构卓越集群的团队现已专门​​定制了一种具有铁磁有序（ferromagnetic order）的拓扑绝缘体-MnBi₆Te₁₀。

铁磁意味着：单个锰原子的所有磁矩都指向同一方向。与反铁磁前身MnBi₂Te₄相比，只有单个材料层内的磁矩指向同一方向。

晶体中单个化学元素组成的微小差异实际上会产生很大的影响，因为铁磁拓扑绝缘体 MnBi₆Te₁₀具有比其反铁磁前身更强大的磁场。

我们能够以这样一种方式生产量子材料MnBi₆Te₁₀ ，即它在12 K时已经变成铁磁性的。维尔茨堡大学教授弗拉基米尔·欣科夫（Vladimir Hinkov）解释说，尽管这个-261 ℃对于设备来说仍然太低，但这只是迈出的第一步，还有很长的路要走。磁性拓扑绝缘体在内部绝缘的同时无损耗地传导电流。

为神奇的材料而竞争(Race for the wonder material)

量子物质的复杂性和拓扑结构研究团队并不是唯一一个在实验室中研究铁磁拓扑绝缘体的团队：“在MnBi₂Te₄取得巨大成功之后，立即在全球范围内寻找更多的磁性拓扑绝缘体候选者。然后在2019年，共有四个小组合成了MnBi₆Te₁₀作为新的希望——但这种神奇材料仅在我们的案例中是铁磁性的，”安娜·伊萨耶娃说，她现在是阿姆斯特丹大学（University of Amsterdam）的实验物理学教授。

系统失序（Misorder in the system）

在近乎侦探的工作中，由安娜·伊萨耶娃领导的德累斯顿材料化学家发现了如何生产这种结晶材料。“在此过程中，他们有了一个惊人的发现：一些原子必须从它们实际的原子层中重新定位，即在晶体中保留它们的理想排列。通过将锰原子分布在所有晶体层中，周围的锰原子会受到刺激，使其磁矩沿同一方向旋转——磁序具有传染性，”安娜·伊萨耶娃说。

“存在于我们的晶体中的原子无序通常被认为在化学和物理学中令人不安。有序的原子结构更容易计算和更好地理解，但并不总是能得到一个结果，”弗拉基米尔·欣科夫补充道。“对我们来说，正是这种无序是MnBi₆Te₁₀变成铁磁性的决定性机制，”安娜·伊萨耶娃强调说。

前沿研究网络

前沿研究网络（Network for cutting-edge research）

来自德累斯顿工业大学 (Technical University Dresden简称TU Dresden)、维尔茨堡朱利叶斯·马克西米利安大学 (Julius Maximilians University Würzburg简称JMU Würzburg) 和德累斯顿莱布尼茨固态与材料研究所 (Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden简称IFW Dresden) 的集群研究人员参与了这项研究成果。这些晶体是由德累斯顿工业大学（TU Dresden）安娜·伊萨耶娃周围的材料化学家制备的。随后，在德累斯顿莱布尼茨固态与材料研究所（IFW Dresden）检测了样品体积中的铁磁性。在这里，豪尔赫·法西奥（Jorge I. Facio）博士还发展了一种综合理论来解释缺失的MnBi₆Te₁₀及其反铁磁竞争对手的铁磁性。来自维尔茨堡朱利叶斯·马克西米利安大学（JMU Würzburg）的弗拉基米尔·欣科夫团队负责关键的表面测量。

目前，研究人员正在研究铁磁性在明显更高的温度下发生的事实。第一个结果已经可以在70 K左右得到。同时，必须提高出现奇异量子效应的超低温，因为无损电流传导仅在1~2 K时才开始。

量子物质的复杂性和拓扑结构卓越集群(Cluster of Excellence ct.qmat)

自2019年以来，量子物质的复杂性和拓扑结构卓越集群由JMU Würzburg和TU Dresden共同支持。来自30多个国家和四大洲的近400名研究人员正在研究拓扑量子材料，这些材料在超低温、高压或强磁场等极端条件下揭示了令人惊讶的现象。卓越集群在德国联邦政府和州政府卓越战略的框架内获得资助——这是德国唯一的跨州集群。

这项研究得到了德国研究基金会{Deutsche Forschungsgemeinschaft简称DFG through the SFB 1170, project-id 258499086（projects C06 and A01） and through the SFB 1143, project-id 247310070); DFG through the Würzburg-Dresden Cluster of Excellence on Complexity and Topology in Quantum Matter – ct.qmat (EXC 2147, project-id 390858490); DFG (project-id 456950766)}、亚历山大·冯·洪堡基金会（Alexander von Humboldt Foundation）以及其它基金{grants PID2020-116181RB-C32, FlagEra SOgraphMEM PCI2019-111908-2 (AEI/FEDER, UE)}

的支持。还有加拿大自然科学与工程研究理事会(Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada简称NSERC)的资助。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

The recent realizations of the quantum anomalous Hall effect (QAHE) in MnBi₂Te₄ and MnBi₄Te₇ benchmark the (MnBi₂Te₄)(Bi₂Te₃)_n family as a promising hotbed for further QAHE improvements. The family owes its potential to its ferromagnetically (FM) ordered MnBi₂Te₄ septuple layers (SLs). However, the QAHE realization is complicated in MnBi₂Te₄ and MnBi₄Te₇ due to the substantial antiferromagnetic (AFM) coupling between the SLs. An FM state, advantageous for the QAHE, can be stabilized by interlacing the SLs with an increasing number n of Bi₂Te₃ layers (QLs). However, the mechanisms driving the FM state and the number of necessary QLs are not understood, and the surface magnetism remains obscure. Here, robust FM properties in MnBi₆Te₁₀ (n=2) with T_C≈12 K are demonstrated and their origin is established in the Mn/Bi intermixing phenomenon by a combined experimental and theoretical study. The measurements reveal a magnetically intact surface with a large magnetic moment, and with FM properties similar to the bulk. This investigation thus consolidates the MnBi₆Te₁₀ system as perspective for the QAHE at elevated temperatures.