清华团队发现反铁磁量子反常霍尔效应新现象！

4月16日

清华大学物理系教授王亚愚

副教授张金松团队与合作者

在Nature发表最新研究成果

团队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

Nature论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-08860-z

有磁性、更干净、可解理

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

随着研究的不断深入

科学家们发现

层状反铁磁材料MnBi2Te4

展现出独特的量子特性

使其成为拓扑自旋电子学

和低能耗电子器件中的理想材料

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

仍存在显著瓶颈

王亚愚、张金松团队与合作者

自2019年开始系统研究

MnBi2Te4薄片的输运行为

他们创新性地将氧化铝薄膜

引入MnBi2Te4器件制备的微纳加工流程

极大提升了器件质量和可重复性

实现在较大的参数空间

系统研究反铁磁自旋构型

对量子反常霍尔效应的调制

MnBi2Te4最大的优点在于

自带磁性、更干净、可解理

且具有拓扑非平庸的能带结构

基于这些特性

团队通过调节栅极电压和垂直磁场

在覆盖了氧化铝薄膜的样品中

发现了量子相变的级联现象

揭示了复杂自旋构型

对拓扑边缘态量子输运的影响

最新研究成果

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

于4月16日发表在

《自然》（Nature）杂志

MnBi2Te4+氧化铝薄膜的器件构型

（a）MnBi2Te4的晶体结构（b）引入氧化铝薄膜的输运器件构型示意图（c）不同温度下，霍尔电阻和纵向电阻随磁场系统变化的实验数据（d）（e）根据c图绘制的霍尔电阻率及其导数随磁场的彩色图谱，展示了与输运数据对应的丰富自旋构型

MnBi2Te4是一种二维材料

每个结构单元

由Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te

7个原子层构成

厚度接近1.4纳米

由于结构单元之间的

范德华层间吸附力较弱

在实际器件制备过程中

可以通过机械解理技术

用胶带将三维的MnBi2Te4进行撕薄

“好像把一个千层饼放在桌子上

拿起来时

最下面的一层饼留在了桌子上”

通过显微镜找到7层的样品

厚度约9纳米

“与直径60-80微米的头发丝相比

我们的器件厚度仅为其万分之一”

团队成员解释道

通过深入分析此前多个器件的性能

团队意识到

氧化铝和MnBi2Te4的界面

可能对量子输运性质具有关键影响

从而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

更重要的是

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

翻转和倾斜：奇妙的自旋结构

在给MnBi2Te4材料

施加垂直方向的磁场时

由于反铁磁相互作用

各向异性能、和外加磁场相互竞争

会产生丰富的自旋构型

不同磁构型会显著改变材料的能带结构

特别是对拓扑电子态的能隙

产生直接影响

从而实现对拓扑边缘态

量子输运行为的有效调控

为深入理解这一现象

团队运用一维反铁磁链模型

将每一个MnBi2Te4结构单元

看作一个小磁针

进行数值模拟与理论计算

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

（a）（b）基于反铁磁自旋链模型对7层器件在不同磁场下自旋构型的模拟结果（c）面内磁场对量子反常霍尔效应的增强效应（d）通过实验数据获得的不同面内磁场下的热激发能隙（e）反铁磁自旋链模型在不同面内磁场下的模拟结果，与实验数据定性相符

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

“面内磁场

增强了量子反常霍尔效应”

这与团队之前在铁磁拓扑绝缘体中

观察到的“面内磁场会破坏量子化”现象

截然相反

这种特性充分展现了

反铁磁拓扑绝缘体的独特优势

——抵抗外界磁场干扰

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

该研究由王亚愚、张金松团队

与中国人民大学物理系刘畅研究组

合作完成

王亚愚、张金松和刘畅为论文的通讯作者

物理系博士生连梓臣

科研助理王永超

为论文共同第一作者

文&排版 | 彭稳平

来源 | 物理系

编辑 | 苑洁

审核 | 刘蔚如