拓撲絕緣體與反鐵磁的美妙邂逅_風聞

撰文 | 宋成

拓撲本是數學領域的重要概念，自上世紀 50 年代引入物理學科後，在凝聚態物理、量子場論和宇宙學等方向得到廣泛應用，近年來亦逐步在量子材料研究方面扮演着重要角色。磁性，作為一種重要的材料物理性能，與其相關的主題多次站到諾貝爾獎的領獎台上。磁學應用已滲透到我們生活中的方方面面，包括磁存儲、磁傳感、稀土永磁和軟磁等。縱觀物質科學史實，拓撲與磁性的結合，往往帶來美妙的結果。1980 年，Klaus von Klitzing 等人在強磁場下的二維電子氣中發現整數量子霍爾效應 (1985年諾貝爾物理學獎)，此即拓撲與磁的初遇。

圖 1. 拓撲絕緣體中自旋動量鎖定 (左) 和反鐵磁 (右) 示意圖。

近年來，以拓撲絕緣體為代表的量子材料為自旋電子學器件注入了全新的活力。由於自旋動量鎖定的特點 (圖 1 左)，拓撲絕緣體具有高的電荷 - 自旋轉化效率，為降低自旋電子學器件的功耗奠定了理論基礎。早期，如康奈爾大學的 Daniel C. Ralph[1]和加州大學洛杉磯分校的 Kang L. Wang[2]等課題組在拓撲絕緣體 / 鐵磁異質結中，發現了源於拓撲表面態的自旋流，能高效操控相鄰鐵磁層的磁矩。與之相對應，鐵磁磁矩也能影響拓撲表面態中電子自旋的狀態，進而得到顯著的磁電阻效應[3]。

值得一提的是，正負電流脈衝雖然產生相同的熱效應，但在適當條件下能夠調控反鐵磁磁矩在兩個穩態之間循環翻轉。這一現象，有力證明了自旋軌道矩在反鐵磁磁矩翻轉中的重要作用。最近，正負電流誘導的反鐵磁磁矩循環翻轉的現象也在重金屬 / 反鐵磁異質結中被觀察到[8, 9]。這一結果，即為拓撲絕緣體與反鐵磁碰撞出的第二束火花——拓撲絕緣體產生的強自旋流，可高效翻轉反鐵磁磁矩。

這一工作，打開了拓撲絕緣體 (拓撲表面態) / 反鐵磁異質結的大門，相關結果於 2022 年 9 月 5 日在線發表於《自然·電子學》(Nature Electronics,https://www.nature.com/articles/s41928-022-00825-8)，並應邀同期發表研究簡報 (Research Briefing)。論文通訊作者是清華大學宋成教授，論文共同第一作者為清華大學博士生陳賢哲 (現為加州大學伯克利分校博士後)、白樺和上海科技大學博士生季育琛。研究團隊學術帶頭人、清華大學潘峯教授和上海科技大學寇煦豐教授團隊 (拓撲絕緣體的外延製備及表徵)，對這一研究工作做出重要貢獻。北京工業大學韓曉東教授和李昂教授為該研究工作提供電鏡表徵。

參考文獻

[1] Mellnik, A. R. et al. Spin-transfer torque generated by a topological insulator. Nature 511, 449–451 (2014).

[2] Fan, Y. et al. Magnetization switching through giant spin–orbit torque in a magnetically doped topological insulator heterostructure. Nat. Mater. 13, 699–704 (2014).

[3] Yasuda, Y. et al. Large unidirectional magnetoresistance in a magnetic topological insulator. Phys. Rev. Lett. 117 127202 (2016).

[4] Hou, D. et al. Tunable sign change of spin Hall magnetoresistance in Pt/NiO/YIG structures. Phys. Rev. Lett. 118, 147202 (2017).

[5] Chen, X. Z. et al. Antidamping-torque-induced switching in biaxial antiferromagnetic insulators. Phys. Rev. Lett. 120, 207204 (2018).

[6] Chen, X. Z. et al. Electric field control of Néel spin-orbit torque in an antiferromagnet. Nat. Mater. 18, 931–935 (2019).

[7] Chen, X. Z. et al. Observation of the antiferromagnetic spin Hall effect. Nat. Mater. 20, 800–804 (2021).

[8] Higo, T. et al. Perpendicular full switching of chiral antiferromagnetic order by current. Nature 607, 474–479 (2022).

[9] Zhang, P. et al. Control of Néel vector with spin-orbit torques in an antiferromagnetic insulator with tilted easy plane. Phys. Rev. Lett. 129, 017203 (2022).

備註

(1) 作者宋成，任職清華大學材料學院，主要研究領域為信息功能材料。

(2) 封面圖片展示了拓撲表面態媒介的自旋與反鐵磁磁矩的相互作用。圖片來自正文圖1。

(3) 文尾圖片中的山峽及其水中倒影，展示出拓撲絕緣體的能帶結構之美。兩艘相向而行的大船在山峽相遇，彷彿反鐵磁與拓撲絕緣體的美妙邂逅。

本文經授權轉載自微信公眾號“量子材料QuantumMaterials”。

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