合肥研究院在反铁磁拓扑绝缘体MnBi2Te4中发现π/2周期的平面霍尔效应

近日，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心田明亮课题组利用磁输运方法，在本征反铁磁拓扑绝缘体MnBi₂Te₄中发现体态轨道磁矩产生的四重对称性的平面霍尔效应。相关研究成果发表在Nano Letters上 。

当前，拓扑量子材料由于其独特的性能，在未来低功耗量子自旋器件中颇具应用价值，是相关领域的研究热点。在拓扑材料中，贝里曲率和轨道磁矩是两个基本的赝矢量，对材料物性产生重要影响。轨道磁矩在谷电子学和手性磁效应中具有重要作用，而相比贝里曲率研究，关于轨道磁矩相关新奇物性的研究较少。近年来，本征反铁磁拓扑绝缘体MnBi₂Te₄受到广泛关注。这个体系具有丰富的物性，如量子反常霍尔效应、拓扑轴子态等，并为探讨轨道磁矩和贝里曲率对量子输运现象的影响提供了良好的平台。

科研人员利用微纳加工技术，制备出基于MnBi₂Te₄纳米片的Hall-bar器件，通过平面霍尔效应的测量，探究了贝里曲率和轨道磁矩对输运现象的影响。实验发现，在低温下弱磁场（B < 7T）下，平面霍尔效应表现出二重对称性且电阻各项异性大于零。分析显示，这种π周期的平面霍尔效应可归因于无能隙的拓扑表面态。而当体系进入极化铁磁态时（B > 10T），平面霍尔效应的周期从π转变成π/2，同时幅值由正变为负。为了阐明π/2周期的物理机制，研究人员进行理论计算。计算结果表明，π/2周期的平面霍尔效应来源于体态Dirac电子的拓扑轨道磁矩，且理论结果与实验结果完全吻合。进一步实验发现，随着温度升高，由于体态和表面态的竞争，平面霍尔效应发生非平庸演化。该研究揭示了轨道磁矩诱导的新颖电磁效应，也为磁性拓扑材料在低功耗自旋电子学中的应用提供了指引。

研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、强磁场安徽省实验室等的支持。

论文链接

a、T = 2k，平面霍尔效应随磁场的变化；b、B = 14T，不同温度下的平面霍尔效应；c、理论计算结果与实验结果的比较；d、B = 14T，平面霍尔效应的幅值随温度的演化