科研进展|上科大拓扑物理实验室揭示量子反常霍尔效应调控新机制

量子反常霍尔效应是凝聚态物理领域中的重要研究方向，它不依赖于强磁场而由材料本身的自发磁化产生。在拓扑绝缘体内引入面外的磁序，可以破坏时间反演对称性，进而实现量子反常霍尔效应。

实现量子反常霍尔效应的材料具有自旋极化的边缘态，从而获得宏观尺度下零能耗输运的特性，为低功耗及自旋电子器件的实现提供了新的策略。此外，通过量子反常霍尔效应与超导态的有机结合，能够为拓扑量子计算的物理实现提供可行性方案。因此，设计制备高质量材料体系以实现在多种外场下可调控的量子反常霍尔效应成为近年来凝聚态物理与自旋电子学的研究热点。

近日，上科大拓扑物理实验室寇煦丰团队（信息学院）和柳仲楷团队（物质学院）利用分子束外延（MBE）技术制备出基于晶圆级尺寸的 Cr-(Bi,Sb)₂Te₃磁性拓扑绝缘体（MTI）薄膜，并通过精确的层厚和掺杂变化发现了该体系中的拓扑相变。该研究成果以“Thickness-Driven Quantum Anomalous Hall Phase Transition in Magnetic Topological Insulator Thin Films”为题发表在国际知名学术期刊ACS Nano。

研究人员首先对Cr掺杂的(Bi,Sb)₂Te₃薄膜进行元素比例的优化，将费米面调节至体态的能隙中，并通过反射式高能电子衍射确定薄膜的厚度。通过磁电输运测量发现，厚层的三维体系MTI薄膜可以在零磁场下观察到量子反常霍尔效应，而薄层MTI样品由于拓扑表面态杂化所诱导的平庸能隙存在，需要施加强磁场才能实现量子霍尔平台。进一步分析观察到了层厚调控的量子反常霍尔效应拓扑相变。在实验基础上，研究团队揭示了MTI体系的磁性成因以及拓扑表面态能带对Van Vleck自旋极化的调控机制。该研究不仅实现了基于量子反常霍尔效应的金属绝缘体相变，也为MTI体系所赋能的新奇物理效应研究奠定了基础。

此项工作由上海科技大学、中国科学技术大学与美国加州大学洛杉矶分校协作完成，上科大为第一完成单位。上科大物质学院柳仲楷课题组2020级博士研究生季育琛、中科大研究生刘正、美国加州大学洛杉矶分校研究生张鹏为文章共同第一作者，上科大拓扑物理实验室、信息学院寇煦丰教授和中科大乔振华教授为文章共同通讯作者。