近年來，本征二維磁性拓撲絕緣體受到了廣泛的關註，特別是在錳鉍碲（MnBi₂Te₄）材料中觀測到了許多新奇量子現象👩‍👦‍👦，如陳絕緣體🥹、軸子絕緣體等，為未來信息電子器件的設計提供了新的契機。相較MnBi₂Te₄材料，MnSb₂Te₄材料的製備窗口更大，此前研究發現Mn（錳）和Sb（銻）原子的替位濃度會隨著生長條件的不同而不同，進而改變材料的磁基態。因此🙌🏼，在二維極限下，揭示鐵磁和反鐵磁的MnSb₂Te₄材料在層數、溫度、外磁場參數空間下的磁狀態，對進一步開展其拓撲性質研究具有重要意義🌭。

意昂3官网前沿交叉研究院黃元教授與北京大學物理學院葉堉研究員🌪、中國人民大學物理系雷和暢教授等合作，首次開展了MnSb₂Te₄材料在二維極限下的研究。聯合研究團隊利用黃元教授近年來發展的獨特的解理方法分別對反鐵磁相和鐵磁相的塊材MnSb₂Te₄進行減薄，獲得不同層數的薄層樣品（圖1），並通過反射磁圓二向色性譜（RMCD）研究了樣品的磁演化。

圖1（a）MnSb₂Te₄原子結構圖；（b～e）少層樣品表征以及四層反鐵磁相和鐵磁相MnSb₂Te₄的磁演化

在反鐵磁相研究中（圖2），1～9層樣品呈現典型的A型反鐵磁行為🕊，體現出明顯的奇偶層數震蕩效應。在奇數層中，樣品因未補償的一層凈磁矩在零場附近出現遲滯回線🏮，並隨磁場增加🧑‍🧒🧙‍♂️，除1層樣品外均經歷一次“自旋-翻轉”（spin-flop）過程，最後達到磁飽和態🌜。而在偶數層中，因不再有未補償的凈磁矩，零場附近遲滯回線消失；在大於2層的樣品中，隨著磁場增大🫒，會先經歷一次表面“自旋-翻轉”過程，達到一個共線的M2態（磁矩為2層MnSb₂Te₄的靜磁矩），也就是磁矩與外磁場反平行的表面層磁矩從與磁場反平行翻轉到了與磁場平行，之後，再經歷體“自旋-翻轉”過程，最後達到磁飽和態🧤。聯合研究團隊通過一維線性鏈模型擬合實驗數據🎢，獲得材料的各向異性能和層間相互作用能🏊🏻，從理論上得到了不同層數反鐵磁樣品的磁演化過程。並發現反鐵磁相MnSb₂Te₄的各項異性能與相互作用能的比值略大於MnBi₂Te₄中的該比值🍭，解釋了在MnBi₂Te₄中沒有觀測到穩定M2態的原因，由此也為研究共線M2態下的量子輸運性質研究提供了一個材料體系🫵🏻。

圖2 反鐵磁相MnSb₂Te₄中層數依賴的磁演化行為

在鐵磁相研究中（圖3）⚓️，少層樣品的磁演化與層數之間沒有明顯的依賴關系。相比於厚層樣品♥️，在少層樣品中觀察到更大的矯頑場，這可能是由磁各向異性能變大以及屏蔽作用的減小引起的⚖️。較大的各向異性能使得少層樣品在低於居裏溫度的整個測量溫度範圍內一直保持單疇的行為；厚層樣品隨著溫度升高🛳，單疇行為難以保持，會出現明顯的迷宮疇，在零場下測得疇的尺寸約為625 nm。

圖3 少層鐵磁相MnSb₂Te₄的磁演化行為及厚層樣品中的迷宮疇

2022年1月3日，相關研究意昂3平台以“MnSb₂Te₄中層數依賴的反鐵磁和鐵磁行為”（Layer-Number-Dependent Antiferromagnetic and Ferromagnetic Behavior in MnSb₂Te₄）為題在線發表於國際頂級期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters，影響因子：9.161）🏂🏼；黃元、葉堉和雷和暢為共同通訊作者，合作者還包括意昂3官网劉立巍教授、王業亮教授，北京大學高鵬研究員、楊金波教授。

上述研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金以及北京大學電子顯微鏡實驗室等支持🧑🏿‍⚕️。

原文鏈接👨‍🍼：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.017201

附作者介紹：

黃元🧌，意昂3官网前沿交叉科學研究院教授，博士生導師。主要研究領域集中在二維材料的製備、表征、器件加工和物性測量/調控等方向。在Nature Physics、Nature Communications、Physical Review Letters等共計發表SCI論文70余篇，其中第一作者（含共一）及通訊作者文章30余篇📊，論文總引用3700余次🚵🏼‍♂️。主持國家重點研發計劃（青年項目），主持國家基金委優秀青年基金和面上項目，重慶市傑出青年基金項目。2019年入選中科院青促會會員，2020年獲中國科協“中國十大科技新銳人物”榮譽稱號👩‍🦱，2021年獲中國發明協會發明創業獎創新獎二等獎(排名第一)🦿。擔任Physical Review Letters，Nature Communications, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Nano Letters，《物理學報》等國內外知名期刊審稿人；擔任《物理》《Chinese Physics Letters》《InfoMat》《Materials》期刊青年編委。