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研究背景

MnBi₂Te₄是一種層狀反鐵磁材料，因其獨特的拓撲性質而被廣泛應用于量子反常霍爾效應（QAH）等領域。與傳統的鐵磁拓撲絕緣體相比，MnBi₂Te₄展示了不同的磁性行為，特別是在其反鐵磁有序下實現QAH效應，具有獨特的優勢。

這使得MnBi₂Te₄成為拓撲自旋電子學、量子計算和低能耗電子器件中的理想材料。然而，由于MnBi₂Te₄晶體容易產生缺陷，且納米制造過程中可能引入環境污染等問題，因此在器件的制備和性能穩定性方面存在一定挑戰。

針對這一挑戰，清華大學物理系王亞愚、張金松團隊聯合中國人民大學劉暢教授團隊在“Nature”期刊上發表了題為“Antiferromagnetic quantum anomalous Hall effect under spin flips and flops”的最新論文。該團隊設計并制備了7層MnBi₂Te₄器件，并覆蓋了AlO_x保護層。通過調節柵電壓和垂直磁場，該團隊成功揭示了MnBi₂Te₄中量子相變的級聯現象，闡明了復雜自旋配置對邊緣態輸運的影響。

本文通過平面內磁場的調節，研究人員發現其能夠顯著增強MnBi₂Te₄表面態的矯頑場和交換能隙，揭示了反鐵磁QAH效應與鐵磁QAH效應之間的顯著差異。此外，結合數值模擬，研究人員提出這些特征源于反鐵磁材料中固有的自旋翻轉和翻斜躍遷。

該研究通過改進器件結構和引入AlO_x保護層，不僅提升了MnBi₂Te₄的量子傳輸性能，還為拓撲反鐵磁自旋電子學的應用提供了新的技術路徑。研究表明，MnBi₂Te₄中量子反常霍爾效應的多功能可調性為未來在低能耗自旋電子器件中的應用開辟了新的方向。    

研究亮點

（1）實驗首次在7層MnBi₂Te₄器件中實現了反鐵磁量子反常霍爾效應（QAH），并揭示了其在柵電壓和磁場作用下的多重量子相變。通過調整柵電壓和垂直磁場，研究人員發現了由復雜自旋配置引起的邊緣態輸運特性變化。

（2）實驗通過在MnBi₂Te₄表面覆蓋AlOx保護層，顯著提高了量子反常霍爾效應的表現。該保護層不僅增強了表面垂直磁各向異性（PMA），還保護了材料免受環境污染和制造過程中損傷的影響。結果顯示，AlOx層的引入有效改善了表面自旋有序性，進而促進了QAH效應的穩定性和增強。

（3）實驗通過溫度依賴輸運測量，觀察到了在不同垂直磁場下的熱激活能隙變化，并通過熱激活模型擬合獲得了能隙的大小。這些結果揭示了QAH效應在溫度和磁場的作用下的調控特性，為進一步探索拓撲反鐵磁自旋電子學應用提供了理論依據。    

（4）實驗還通過平面內磁場的引入，觀察到QAH效應的增強以及滯回效應的變化。研究發現，平面內磁場不僅提高了表面態的交換能隙，還增強了材料的矯頑場，這與鐵磁QAH狀態的情況明顯不同。通過與數值模擬的結合，提出這些特征源于層間反鐵磁材料固有的自旋翻轉和翻斜躍遷。

圖文解讀

圖1：7層MnBi₂Te₄的晶體結構、器件配置和Vg依賴的輸運特性。

圖2：在Vg=30V時的溫度依賴輸運特性，以及在不同μ0Hz下的熱激活能隙擬合。

圖3：平面內磁場增強量子反常霍爾效應。

結論展望

為了解釋平面內磁場增強量子反常霍爾效應的機制，作者仍然依賴于基于修正的反鐵磁自旋鏈模型的模擬。模擬結果展示了自旋配置的變化，可以很好地解釋這一異常行為。關鍵因素是AlO_x保護層和獨特的層狀反鐵磁秩序，這些特征在本研究中的7層MnBi₂Te₄器件中尤為重要。頂部層的強垂直磁各向異性（PMA）和與底層反鐵磁耦合的減弱確保了在平面內磁場的作用下，由下向自旋旋轉引起的z分量磁化增強超過了由上向自旋傾斜引起的z分量減小。沿z軸的總磁化在平面內磁場Hx的作用下得到增強，尤其是在靠近表面的層，這有助于在狄拉克點處打開能隙。因此，平面內磁場促進了自旋翻轉（SSF）態的提前過渡，導致更大的能隙，從而獲得更好的量子反常霍爾態。    

平面內磁場導致矯頑場增強的機制是一個更復雜的問題，不能僅通過反鐵磁自旋鏈模型或微磁模擬來簡單解釋。這里的反鐵磁量子反常霍爾態與磁性摻雜拓撲絕緣體中的鐵磁量子反常霍爾態有兩個關鍵的不同。首先，MnBi₂Te₄中的局部自旋形成了規則的晶格，而不是隨機分布。

其次，層間交換是反鐵磁的，而非鐵磁的。7層MnBi₂Te₄中的未補償自旋導致沿z軸的凈磁化，矯頑場時的反鐵磁1到反鐵磁2的轉變對應于所有磁性層的同步翻轉，因為它們共同形成了量子基態。因此，描述這一相變以及平面內磁場增強矯頑場的機制可能需要更為復雜的模型。

有研究表明，橫場可以通過在無序的伊辛自旋鏈中施加站點隨機場來增強疇壁釘扎并硬化磁性。值得研究的是，這一機制是否同樣適用于MnBi₂Te₄中的層狀反鐵磁秩序。在接近奈爾溫度（TN）時，反鐵磁秩序減弱，熱波動增加，可能會驅使系統進入由斯通-沃爾法特模型描述的經典區間，此時平面內磁場會軟化滯回效應。

帶有AlO_x保護層的7層MnBi₂Te₄器件展現了由自旋翻轉和翻斜對拓撲輸運特性影響所引發的量子相變級聯，這些特性在層狀反鐵磁秩序中是獨特的。磁性和能帶拓撲之間的緊密關聯使得作者能夠通過量子輸運測量來探測磁性秩序。作者發現平面內磁場增強了滯回效應和拓撲表面態的能隙，這與鐵磁量子反常霍爾系統中的情況不同。這一強大的現場調控手段對于探索基于反鐵磁量子反常霍爾效應的新拓撲現象以及MnBi₂Te₄在拓撲反鐵磁自旋電子學中的應用具有重要意義。    

原文詳情：

Lian, Z., Wang, Y., Wang, Y. et al. Antiferromagnetic quantum anomalous Hall effect under spin flips and flops. Nature (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41586-025-08860-z