磁性拓扑绝缘体中因其集多种物理相为一身的特点，成为凝聚态物理与自旋电子学的研究热点，近年来许多新奇物理现象的发现均与该体系息息相关。相较于传统的磁性掺杂方法，磁性拓扑绝缘体异质结通过将拓扑绝缘体与高温磁性材料的有机结合，一方面可以获得磁性的增强，另一方面可以利用不同耦合机制的分离对磁序和拓扑序分别进行独立剪裁，从而实现对电子自旋态的操控。正因如此，合理构筑基磁性拓扑异质结体系将极大推动拓扑量子材料在自旋电子学方面的应用前景。针对上述科学问题，近日，我校拓扑物理实验室寇煦丰团队（信息学院）和张石磊团队（物质学院）利用分子束外延（MBE）技术制备出基于（BixSb1-x）2Te3/MnTe的磁性拓扑绝缘体异质结复合体系，同时通过精确的层厚和掺杂变化实现了对该体系中反常霍尔效应的有效调控。该研究成果以“Tailoring the hybrid anomalous Hall response in engineered magnetic Topological Insulator heterostructures”为题发表在国际知名学术期刊Nano Letters。
在具体的实验中，寇煦丰课题组首先通过二维材料（CrSe）缓冲层的引入实现了在GaAs衬底上高质量Bi2Te3/MnTe异质结单晶薄膜的大面积外延生长。通过电学输运测量，在体系中观察到了复合反常霍尔效应（anomalous Hall effect，AHE）。在随后的定量表征中，研究人员发现该霍尔响应可以分解为MnTe和Bi2Te3两层磁性号的叠加，而且其强度随顶层Bi2Te3厚度的增加而增加，由此揭示了MnTe通过与界面拓扑表面态作用产生的内秉铁磁相。更重要的是，通过在Bi2Te3层中掺入Sb元素，能够精准调控体系的载流子类型与浓度，从而首次实现了与贝里相位（Berry phase）相关的内秉AHE极性的操控。本工作不仅加深了对反常霍尔效应内在物理机制的理解，同时证明了磁性拓扑绝缘体异质结在高效调控拓扑序和磁序方面的巨大优势。这一研究成果对拓扑绝缘体在诸如磁存储器、磁传感器等方面的应用开辟了一条新的途径。
上海科技大学是该项研究的第一完成单位，信息学院寇煦丰课题组2018级硕士研究生陈鹏、2019级博士研究生张勇、以及物质学院助理研究员姚岐为文章共同第一作者，上海科技大学拓扑物理实验室寇煦丰教授、张石磊教授和姚岐为文章共同通讯作者。此外清华大学、牛津大学、英国“钻石”同步辐射光源和美国加州大学欧文分校共同合作完成此项工作。该成果得到了上科大启动基金、科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金面上/青年项目、以及上海市青年科技英才扬帆计划的大力支持。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.9b04932
磁性拓扑绝缘体异质结（BixSb1-x）2Te3/MnTe体系中反常霍尔效应的剪裁与调控