磁性拓扑材料可以表现出一系列新奇的量子特性，例如量子反常霍尔效应、手性马约拉纳费米子、轴子绝缘体等，是凝聚态物理前沿研究中的材料重要体系。近年来，人们对于MnBi _2n Te _3n+1体系开展了深入系统的研究，MnBi₂Te₄ 和Bi₂Te₃交错排列的超晶格结构MnBi _2n Te _3n+1具有本征的磁性和拓扑性，为实现新奇拓扑量子态提供了具有广阔前景的研究平台。MnBi₄Te₇（ n ="""2）和MnBi6Te10（ n = 3）的磁性层MnBi₂Te₄分别被一层和两层非磁性层Bi₂Te₃分隔开，这使得层间的磁耦合被大大降低，有望在更低的磁场甚至是零磁场下实现量子反常霍尔效应。因此，在二维极限下，揭示这两种材料的磁基态对进一步开展其拓扑及量子性质研究具有重要意义。

近日，北京理工大学前沿交叉科学研究院黄元教授、集成电路学院徐晓龙准聘教授，与北京大学物理学院叶堉教授、中国人民大学夏天龙教授及中国科学院大学周武教授等合作，首次开展了MnBi _2n Te _3n+1 （ n ="""2，" n ="""3）材料在二维极限下的磁状态研究。联合研究团队利用黄元教授近年来发展的独特解理技术成功实现了了对块材MnBi4Te7和MnBi₆Te₁₀的解理并获得了从单层到多层的高质量样品。通过反射磁圆二向色性谱（RMCD）及其他结构表征，首次揭示本征磁性拓扑绝缘体MnBi₄Te₇和MnBi₆Te₁₀在二维极限下铁磁-反铁磁共存的磁基态及其相互耦合（图1）。

图1. a-b MnBi₆Te₁₀少层样品光学照片及表面形貌扫描；c少层MnBi₆Te₁₀ RMCD- μ ₀ H 磁翻转曲线；d-e 3层MnBi₆Te₁₀磁翻转温度依赖；f-g铁磁-反铁磁占比随厚度及温度变化。

通过扫描透射电子显微镜（STEM）及单晶X射线衍射（SC-XRD）对晶格结构的研究，发现MnBi_2nTe_3n+1（ n = 2, 3）材料在空间上存在分布广泛的Mn占据Bi原子的Mn_Bi替位缺陷（图2. a-b），对其层间耦合能够产生调制作用，甚至改变其层间磁耦合方式，最终导致了样品中铁磁与反铁磁共存的磁基态（图2）。

图2. a-b MnBi₆Te₁₀截面STEM及元素空间扫描；c-d MnBi₆Te₁₀（及MnBi₄Te₇）中铁磁与反铁磁基态结构。

进一步研究发现，磁基态中铁磁和反铁磁部分存在相互耦合，产生了明显的交换偏置效应。与传统的交换偏置效应不同，该结构中的偏置效应的产生不需要复杂的带场降温过程，且其偏置方向可通过外磁场极化方向调控（图3）。该工作为磁性材料中磁结构的精细调控提供了一种新的思路，为基于MnBi₄Te₇和MnBi₆Te₁₀的量子现象的研究及其应用奠定了基础。

图3. a-b 6层MnBi₆Te中方向可变的交换偏置效应；c-f温度依赖的交换偏置行为。

2022年12月11日，相关研究成果以“Ferromagnetic-antiferromagnetic coexisting ground state and exchange bias effects in MnBi₄Te₇ and MnBi₆Te₁₀” 为题发表在国际顶级期刊《自然通讯》（Nature Communications，影响因子：17.694）上；北京理工大学准聘教授徐晓龙和北京大学博士生杨诗祺为文章的共同第一作者。黄元、叶堉、周武和雷夏天龙教授为共同通讯作者，合作者还包括北京理工大学王业亮教授，北京大学杨金波教授、罗昭初研究员及中国人民大学雷和畅教授等。

上述研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金以及北京大学电子显微镜实验室等支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-35184-7

附作者介绍：

黄元，北京理工大学前沿交叉科学研究院教授，博士生导师。主要研究领域集中在二维材料的制备、表征、器件加工和物性测量/调控等方向。在Nature Physics、Nature Communications、Physical Review Letters等共计发表SCI论文100余篇，其中第一作者（含共一）及通讯作者文章50余篇，论文总引用5200余次。主持国家重点研发计划（青年项目），主持国家基金委优秀青年基金和面上项目，重庆市杰出青年基金项目。2019年入选中科院青促会会员，2020年入选中科院青促会数理分会理事，2020年获中国科协“中国十大科技新锐人物”荣誉称号，2021年获中国发明协会发明创业奖创新奖二等奖(排名第一)，2022年获中国发明协会发明创业成果奖二等奖（排名第二）。担任Physical Review Letters，Nature Communications, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Nano Letters，《物理学报》等国内外知名期刊审稿人；担任《物理》《Chinese Physics Letters》《InfoMat》《Materials》期刊青年编委。

徐晓龙，北京理工大学集成电路与电子学院准聘教授，特立青年学者。主要从事二维半导体的生长及器件制备以及二维磁性材料的物性研究。发表SCI论文20余篇，其中包括第一作者/通讯作者的Science，Nature Synthesis，Nature Communications，JACS，PRX，Advanced Materials等。晶圆尺寸单晶MoTe₂的制备工作入选了“2021年度中国半导体十大研究进展”。主持国家基金委面上项目及中国博士后特别资助项目。