上海微系统所揭示拓扑绝缘体的铁磁性形成机理

　　近期，中国科学院上海微系统与信息技术研究所超导实验室原位电子结构方向组，通过使用基于同步辐射光源的软X射线磁性圆二色性能谱和光电子能谱，结合第一性原理计算，首次揭示了具有量子反常霍尔效应的铁磁性拓扑绝缘体中的铁磁性形成机理。该项研究成果为寻找具有更高温度的量子反常霍尔体系、研发新一代超低能耗量子器件的工作提供了重要的依据。该团队成员包括叶茂、李炜、沈大伟和乔山等研究人员，相关研究成果以Carrier-mediated ferromagnetism in the magnetic topological insulator Cr-doped (Sb,Bi)2Te3 为题，于11月19日发表在Nature Communications上（DOI: 10.1038/NCOMMS9913）。

　　量子反常霍尔效应，是一种不需要外加磁场就能实现无能量耗散电输运的新奇量子现象。2013年，清华大学教授薛其坤领导的研究小组首次在铬(Cr)掺杂的拓扑绝缘体(Sb,Bi)2Te3中实现了量子反常霍尔效应。然而，因该效应的实现需要低于100mK的极低温度，目前寻找更高温度的量子反常霍尔效应体系对于其实际应用至关重要。

　　上海微系统所副研究员叶茂等人，与日本原子能研究开发机构、日本广岛大学开展合作研究，使用世界最大规模的同步辐射装置SPring-8所产生的高强度软X光，利用磁性圆二色性能谱，对Cr掺杂的 (Sb,Bi)2Te3体系进行了具有元素分辨能力的磁性测量。研究结果表明，在该材料中除了掺杂的Cr元素具有铁磁性质以外，母相晶体中Sb和Te由于电子轨道的杂化效应，也具备了铁磁性质。更为重要的是，正是母相晶体中Sb和Te的p电子轨道所具备的磁矩，为形成长程铁磁性秩序提供了不可或缺的媒介作用，从而为量子反常霍尔效应的实现提供了必要的条件。该项研究成果揭示了拓扑绝缘体中本征铁磁性的形成机理，为设计和制备具有更高实现温度的新型量子反常霍尔材料提供了坚实的依据。

　　该项研究得到了国家自然科学基金委青年科学基金、国家重大科研仪器设备研制专项的支持。

图a: Cr -(Sb,Bi)2Te3材料中的铁磁性形成机理的概念图；b: Cr含量不同的材料中，Sb元素的X光吸收谱以及X光磁圆二色性能谱；c: Cr与Sb的元素分辨磁化曲线。