上海微系統(tǒng)所揭示拓撲絕緣體的鐵磁性形成機理

　　近期，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所超導實驗室原位電子結(jié)構(gòu)方向組，通過使用基于同步輻射光源的軟X射線磁性圓二色性能譜和光電子能譜，結(jié)合第一性原理計算，首次揭示了具有量子反?；魻栃蔫F磁性拓撲絕緣體中的鐵磁性形成機理。該項研究成果為尋找具有更高溫度的量子反?；魻栿w系、研發(fā)新一代超低能耗量子器件的工作提供了重要的依據(jù)。該團隊成員包括葉茂、李煒、沈大偉和喬山等研究人員，相關(guān)研究成果以Carrier-mediated ferromagnetism in the magnetic topological insulator Cr-doped (Sb,Bi)₂Te₃為題，于11月19日發(fā)表在Nature Communications上（DOI: 10.1038/NCOMMS9913）。

　　量子反?；魻栃且环N不需要外加磁場就能實現(xiàn)無能量耗散電輸運的新奇量子現(xiàn)象。2013年，清華大學教授薛其坤領(lǐng)導的研究小組首次在鉻(Cr)摻雜的拓撲絕緣體(Sb,Bi)₂Te₃中實現(xiàn)了量子反?；魻栃Ｈ欢?，因該效應的實現(xiàn)需要低于100mK的極低溫度，目前尋找更高溫度的量子反?；魻栃w系對于其實際應用至關(guān)重要。

　　上海微系統(tǒng)所副研究員葉茂等人，與日本原子能研究開發(fā)機構(gòu)、日本廣島大學開展合作研究，使用世界最大規(guī)模的同步輻射裝置SPring-8所產(chǎn)生的高強度軟X光，利用磁性圓二色性能譜，對Cr摻雜的 (Sb,Bi)₂Te₃體系進行了具有元素分辨能力的磁性測量。研究結(jié)果表明，在該材料中除了摻雜的Cr元素具有鐵磁性質(zhì)以外，母相晶體中Sb和Te由于電子軌道的雜化效應，也具備了鐵磁性質(zhì)。更為重要的是，正是母相晶體中Sb和Te的p電子軌道所具備的磁矩，為形成長程鐵磁性秩序提供了不可或缺的媒介作用，從而為量子反常霍爾效應的實現(xiàn)提供了必要的條件。該項研究成果揭示了拓撲絕緣體中本征鐵磁性的形成機理，為設(shè)計和制備具有更高實現(xiàn)溫度的新型量子反?；魻柌牧咸峁┝藞詫嵉囊罁?jù)。

　　該項研究得到了國家自然科學基金委青年科學基金、國家重大科研儀器設(shè)備研制專項的支持。 

　　圖a: Cr- (Sb,Bi)₂Te₃材料中的鐵磁性形成機理的概念圖；b: Cr含量不同的材料中，Sb元素的X光吸收譜以及X光磁圓二色性能譜；c: Cr與Sb的元素分辨磁化曲線。