MnBi₂Te₄+氧化铝薄膜的器件构型以及外磁场调控下的霍尔电阻和纵向电阻。

本报讯 近日，物理系教授王亚愚、副教授张金松团队与中国人民大学物理系刘畅团队合作研制出一种新型器件结构，在9纳米MnBi₂Te₄薄片中揭示了丰富的反铁磁自旋构型对量子反常霍尔效应的调制，并首次发现面内磁场可以增强量子反常霍尔效应。该研究克服了MnBi₂Te₄器件质量的瓶颈，为研发未来低功耗电子器件和推动量子技术应用提供了重要基础。

为什么电子设备总发烫？其根源是芯片里的电子在“横冲直撞”，量子反常霍尔效应的发现加速了解决这一问题的进程。与依赖强磁场的量子霍尔效应不同，“反常”在于选取特殊材料实现在零磁场条件下电子有序运动，从根本上避免了能量耗散。2013年，薛其坤院士带领的团队在铁磁拓扑绝缘体中首次观测到量子反常霍尔效应，实现这一基础科学领域的重大突破。

科学家们发现，层状反铁磁材料MnBi₂Te₄展现出独特的量子特性，不过，该体系材料和器件的质量普遍欠佳，量子输运性能调控机制研究。

团队设计了一种新型器件结构，在解理好的MnBi₂Te₄薄片的表面上，沉积3纳米厚的非晶氧化铝薄膜，不仅成功实现了对拓扑表面态的物理保护，更显著增强表面层的磁晶各向异性。

新型器件结构展现出优异的性能，在零磁场条件下即可观测到量子化的霍尔电阻平台和接近零的纵向电阻，这为系统研究量子相变行为提供了理想平台。

团队首次揭示了反铁磁自旋构型与拓扑量子输运特性之间的紧密关联，在给MnBi₂Te₄材料施加面内方向的磁场时，量子反常霍尔效应不仅没被削弱，反而表现得更好。

这种特性充分展现了反铁磁拓扑绝缘体能抵抗外界磁场干扰的独特优势，即面内磁场越大，材料表面的量子“保护罩”（能隙）就越坚固，为提高MnBi₂Te₄中的量子反常霍尔效应提供了一种有效的原位调节手段，并为拓扑反铁磁自旋电子学的潜在应用打开了新思路。

研究结果表明，这种“反常”行为源于MnBi₂Te₄所特有的拓扑结构与反铁磁序之间的复杂相互作用。该发现不仅加深了对拓扑量子物态的理解，更为设计反铁磁自旋电子器件提供了重要实验基础。

近日，研究成果以“由自旋翻转和倾斜调控的反铁磁量子反常霍尔效应”为题，发表在《自然》（Nature）期刊上。王亚愚、张金松和刘畅为该论文的通讯作者，清华大学物理系博士生连梓臣、科研助理王永超为共同第一作者。

（物理系）