沈健课题组及其合作者在反铁磁拓扑绝缘体MnBi2Te4中观察到拓扑边界态
近日，复旦大学物理学系/应用表面物理国家重点实验室/微纳电子器件与量子计算机研究院沈健教授课题组与物理系王熠华教授，清华大学物理系王亚愚教授/张金松教授课题组，以及苏州大学高等研究中心陈垂针教授等合作，在反铁磁拓扑绝缘体MnBi2Te4中观察到导电拓扑边界态。该研究成果以“零磁场下偶数层MnBi2Te4中边界态的直接成像”（Direct visualization of edge state in even-layer MnBi2Te4 at zero magnetic field）为题于2022年12月13日在线发表在学术期刊《自然通讯》（《Nature Communications》）上。沈健教授和微纳电子器件与量子计算机研究院周晓东青年研究员为共同通讯作者，我系博士生林伟嫣、已出站博士后冯洋和清华大学未来芯片研究中心王永超工程师为共同第一作者。
拓扑绝缘体作为重要的拓扑量子物态在过去十多年里成为凝聚态物理主要的研究对象。理论预言拓扑绝缘体表面具有线性色散的拓扑表面态，且表面态电子的自旋和动量锁定。角分辨光电子能谱实验毫无争议地验证了这些预言。向拓扑绝缘体中引入磁性，可以实现量子反常霍尔效应态（quantum anomalous hall effect, QAH）。这一预言在磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜Cr-(Bi,Sb)2Te3中最终得以实现。关于拓扑绝缘体还有一个理论预言：该体系具有量子化的拓扑磁电效应（topological magnetoelectric effect）。要从实验上观察此效应，需要将三维拓扑绝缘体的二维拓扑表面态通过引入磁性打开能隙。体系此时所处的状态称为轴子绝缘体态（axion insulator）。寻找实现轴子绝缘体态的合适材料，并观测到量子化的拓扑磁电效应，是当前拓扑绝缘体研究的重要课题。
MnBi2Te4作为本征的反铁磁拓扑绝缘体，其基本结构单元是一个Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te 7原子层（septuple layer, SL）。在单个SL层内，Mn的磁矩沿着面外方向平行排列，而相邻SL层Mn的磁矩反平行排列。因此MnBi2Te4具有A型反铁磁序（图1a）。作为层状范德瓦尔斯材料，利用胶带机械剥离的办法，人们可以很容易地制备只有几个原子层厚度的MnBi2Te4薄层样品。理论预言，偶数层MnBi2Te4薄层样品的基态是轴子绝缘体态。这一预言获得输运实验的支持，该实验观察到零霍尔电导平台（zero Hall plateau, ZHP）。外加磁场可以驱动偶数层MnBi2Te4从反铁磁态变成铁磁态。相应地，体系从轴子绝缘体态经历拓扑量子相变变成高场下的陈绝缘体态（Chern insulator）。
最近，课题组利用扫描微波阻抗显微镜（scanning Microwave Impedance Microscopy，sMIM）研究偶数层MnBi2Te4薄层样品（6SL）。sMIM可以对材料的局域电导率进行实空间成像，是观测拓扑材料拓扑边界态的理想探测手段（图1b）。课题组首先利用传统宏观输运手段测量6SL-MnBi2Te4。如图1c所示，在高磁场下（大于6T），材料的霍尔电阻处于一倍量子霍尔平台，表明体系处于陈绝缘体态。在小磁场下（小于4T），霍尔电阻出现零平台，暗示体系处于轴子绝缘体态。课题组随后利用sMIM对材料的局域电导率进行成像。如图1d所示，9T下，sMIM图像显示出样品内部是绝缘的（sMIM信号小），而样品边界是导电的（sMIM信号大）。这与陈绝缘体态是一致的，此时材料具有导电的拓扑边界态。令人意外的是，0T下，sMIM图像表明材料也存在一个导电边界态。这个发现与轴子绝缘体态的图像是矛盾的，因为后者要求三维拓扑绝缘体的二维拓扑表面态的能隙完全打开，体系从体内到边界都是绝缘的。进一步的理论计算表明，6SL-MnBi2Te4处于时间反演对称破缺的量子自旋霍尔效应态，此时体系具有一对螺旋边界态。由于时间反演对称破缺，该螺旋边界态存在一个小能隙。体系的无序度使得边界态能谱发生展宽，能隙变得不清晰，等效于一个无能隙的边界态，从而解释了sMIM测到的导电边界态。我们的工作指出，输运测到的零霍尔平台只是轴子绝缘体态的必要而非充分条件。要从实验上验证一个体系是否为轴子绝缘体态，需要更多其它的实验手段证明体系确实具备轴子绝缘体态所要求的拓扑表面态能隙完全打开的条件。当然，该工作也表明MnBi2Te4还存在其它丰富的拓扑物态亟待研究。
图1 (a) MnBi2Te4的晶格结构。(b) 扫描微波阻抗显微镜实验示意图。(c) 6SL-MnBi2Te4的霍尔和纵向电阻测量。(d) 0T和9T下的扫描微波阻抗显微镜成像，比例尺是2微米。
该工作得到了国家基础科学研究中心、国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、上海市启明星计划和江苏高校优势学科建设工程项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-35482-0