拓扑绝缘体与反铁磁的美妙邂逅

撰文 | 宋成

拓扑本是数学领域的重要概念，自上世纪 50 年代引入物理学科后，在凝聚态物理、量子场论和宇宙学等方向得到广泛应用，近年来亦逐步在量子材料研究方面扮演着重要角色。磁性，作为一种重要的材料物理性能，与其相关的主题多次站到诺贝尔奖的领奖台上。磁学应用已渗透到我们生活中的方方面面，包括磁存储、磁传感、稀土永磁和软磁等。纵观物质科学史实，拓扑与磁性的结合，往往带来美妙的结果。1980 年，Klaus von Klitzing 等人在强磁场下的二维电子气中发现整数量子霍尔效应 (1985年诺贝尔物理学奖)，此即拓扑与磁的初遇。

图 1. 拓扑绝缘体中自旋动量锁定 (左) 和反铁磁 (右) 示意图。

近年来，以拓扑绝缘体为代表的量子材料为自旋电子学器件注入了全新的活力。由于自旋动量锁定的特点 (图 1 左)，拓扑绝缘体具有高的电荷 - 自旋转化效率，为降低自旋电子学器件的功耗奠定了理论基础。早期，如康奈尔大学的 Daniel C. Ralph[1]和加州大学洛杉矶分校的 Kang L. Wang[2]等课题组在拓扑绝缘体 / 铁磁异质结中，发现了源于拓扑表面态的自旋流，能高效操控相邻铁磁层的磁矩。与之相对应，铁磁磁矩也能影响拓扑表面态中电子自旋的状态，进而得到显著的磁电阻效应[3]。

值得一提的是，正负电流脉冲虽然产生相同的热效应，但在适当条件下能够调控反铁磁磁矩在两个稳态之间循环翻转。这一现象，有力证明了自旋轨道矩在反铁磁磁矩翻转中的重要作用。最近，正负电流诱导的反铁磁磁矩循环翻转的现象也在重金属 / 反铁磁异质结中被观察到[8, 9]。这一结果，即为拓扑绝缘体与反铁磁碰撞出的第二束火花——拓扑绝缘体产生的强自旋流，可高效翻转反铁磁磁矩。

这一工作，打开了拓扑绝缘体 (拓扑表面态) / 反铁磁异质结的大门，相关结果于 2022 年 9 月 5 日在线发表于《自然·电子学》(Nature Electronics, https://www.nature.com/articles/s41928-022-00825-8)，并应邀同期发表研究简报 (Research Briefing)。论文通讯作者是清华大学宋成教授，论文共同第一作者为清华大学博士生陈贤哲 (现为加州大学伯克利分校博士后)、白桦和上海科技大学博士生季育琛。研究团队学术带头人、清华大学潘峰教授和上海科技大学寇煦丰教授团队 (拓扑绝缘体的外延制备及表征)，对这一研究工作做出重要贡献。北京工业大学韩晓东教授和李昂教授为该研究工作提供电镜表征。

参考文献

[1] Mellnik, A. R. et al. Spin-transfer torque generated by a topological insulator. Nature 511, 449–451 (2014).

[2] Fan, Y. et al. Magnetization switching through giant spin–orbit torque in a magnetically doped topological insulator heterostructure. Nat. Mater. 13, 699–704 (2014).

[3] Yasuda, Y. et al. Large unidirectional magnetoresistance in a magnetic topological insulator. Phys. Rev. Lett. 117 127202 (2016).

[4] Hou, D. et al. Tunable sign change of spin Hall magnetoresistance in Pt/NiO/YIG structures. Phys. Rev. Lett. 118, 147202 (2017).

[5] Chen, X. Z. et al. Antidamping-torque-induced switching in biaxial antiferromagnetic insulators. Phys. Rev. Lett. 120, 207204 (2018).

[6] Chen, X. Z. et al. Electric field control of Néel spin-orbit torque in an antiferromagnet. Nat. Mater. 18, 931–935 (2019).

[7] Chen, X. Z. et al. Observation of the antiferromagnetic spin Hall effect. Nat. Mater. 20, 800–804 (2021).

[8] Higo, T. et al. Perpendicular full switching of chiral antiferromagnetic order by current. Nature 607, 474–479 (2022).

[9] Zhang, P. et al. Control of Néel vector with spin-orbit torques in an antiferromagnetic insulator with tilted easy plane. Phys. Rev. Lett. 129, 017203 (2022).

备注

(1) 作者宋成，任职清华大学材料学院，主要研究领域为信息功能材料。

(2) 封面图片展示了拓扑表面态媒介的自旋与反铁磁磁矩的相互作用。图片来自正文图1。

(3) 文尾图片中的山峡及其水中倒影，展示出拓扑绝缘体的能带结构之美。两艘相向而行的大船在山峡相遇，仿佛反铁磁与拓扑绝缘体的美妙邂逅。

本文经授权转载自微信公众号“量子材料QuantumMaterials”。

特 别 提 示

1. 进入『返朴』微信公众号底部菜单“精品专栏“，可查阅不同主题系列科普文章。

2. 『返朴』提供按月检索文章功能。关注公众号，回复四位数组成的年份+月份，如“1903”，可获取2019年3月的文章索引，以此类推。