清華大學物理系的研究人員與合作者在拓撲絕緣體的研究中取得重要進展，發現了磁性摻雜拓撲絕緣體中由能帶拓撲量子相變而導致的磁性量子相變，相關成果發表在2013年3月29日出版的美國《科學》雜志上。文章的共同第一作者為清華大學物理系的博士研究生張金松、常翠祖和湯沛哲。該工作是由清華大學物理系王亞愚、薛其坤、段文暉、陳曦，中科院物理所何珂、馬旭村、王立莉以及清華校友、美國賓西法尼亞州立大學的劉朝星組成的研究團隊共同完成的。

圖1. 不同Se含量(0 ≤ x ≤ 1)的Bi1.78Cr0.22(SexTe1-x)3薄膜在T = 1.5 K時的反常霍爾效應曲線。在x = 0.67附近材料發生從鐵磁到順磁的量子相變，并伴隨著反常霍爾電阻符號的改變。

拓撲絕緣體是近年來凝聚態物理領域最重要的前沿研究方向之一。在拓撲絕緣體材料中，由于存在很強的自旋軌道耦合，其電子結構會呈現非平庸的拓撲特性。這使得拓撲絕緣體的表面存在著受拓撲保護的金屬態，具有非常美妙的物理性質，在自旋電子學和量子計算方面可能有重要的應用前景。在拓撲絕緣體中摻雜磁性元素會破壞時間反演對稱性，從而對拓撲表面態產生不利的影響。另一方面，摻雜磁性又有可能導致許多新奇的量子效應，比如量子反常霍爾效應（見清華新聞網3月15日的報道）和鏡像磁單極子等等。拓撲與磁性的相互作用是目前拓撲絕緣體領域備受關注的一個研究方向，此前的工作主要集中在磁性對拓撲表面態的影響上，而較少關注電子能帶結構的拓撲性質如何影響其磁學性質。

圖2. Bi1.78Cr0.22(SexTe1-x)3 薄膜的磁性相圖，揭示了隨著Se含量的增加，在低溫下存在著一個從鐵磁態（FM）到順磁態（PM）的磁性量子相變。

在這個研究中，該研究團隊利用分子束外延的方法生長了高質量的Cr（鉻元素）摻雜的Bi2(SexTe1-x)3（鉍硒碲三元化合物）拓撲絕緣體薄膜，并在低溫條件下對其磁電阻和反常霍爾效應進行了精密測量。輸運測量結果表明，隨著Se含量的增加，體系發生了從鐵磁態到順磁態的磁性量子相變，并同時伴隨著反常霍爾電阻符號的改變。此外，在量子臨界點處，能帶結構測量發現了體能帶從拓撲非平庸到拓撲平庸的量子相變。密度泛函理論計算表明其物理機制是由于Se元素的自旋軌道耦合強度弱于Te元素，因此當其含量超過一個臨界值時自旋軌道耦合強度不足以引起能帶反轉，從而進入拓撲平庸態。最后，有效模型的計算顯示能帶結構的拓撲相變是導致磁性相變的原動力，即拓撲非平庸的能帶在低溫下更傾向于形成鐵磁序，而拓撲平庸的能帶則傾向于形成順磁序。

在此項工作中，該研究團隊通過對材料組分的精確控制而改變自旋軌道耦合強度，從而可以主動調節拓撲絕緣體材料能帶的拓撲結構，并最終誘導了一個磁性量子相變。這一發現大大加深了人們對拓撲絕緣體的拓撲性質和磁學性質的理解和調控能力，為將來尋找由時間反演對稱性破缺而導致的奇異量子拓撲現象，以及可能的器件應用提供了一個理想的平臺。

這項研究的成功得益于該團隊成員的緊密合作，特別是在樣品生長、輸運性質測量和理論計算方面的有機結合，為新穎物理現象的發現和理解提供了全面而深刻的信息。

該項研究得到國家自然科學基金委、科技部、中國科學院和清華大學等的資助。

背景鏈接：拓撲絕緣體

拓撲絕緣體是一種新的量子物態，為近幾年來物理學的重要科學前沿之一。傳統上固體材料可以按照其導電性質分為絕緣體和導體，其中絕緣體材料在其費米能級處存在著能隙，因而沒有自由載流子；金屬材料在費米能級處存在著有限的電子態密度，進而擁有自由載流子。而拓撲絕緣體是一類非常特殊的絕緣體，這類材料體內的能帶結構是典型的絕緣體類型，在費米能級處存在著能隙，然而在該類材料的表面則總是存在著穿越能隙的狄拉克型的電子態，因而導致其表面總是金屬性的。拓撲絕緣體這一特殊的電子結構是由其能帶結構的特殊拓撲性質所決定的。

拓撲絕緣體的發現和研究從根本上改變了人們對固體材料電子結構的認識，展示了能帶拓撲結構的美妙性質。目前拓撲絕緣體研究的前沿方向包括拓撲絕緣體與磁性材料和超導材料的復合體系中可能存在的新奇量子現象及其在自旋電子學和拓撲量子計算方面的可能應用。

來源：清華大學網站