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近日，北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、人工微结构与介观物理国家重点实验室叶堉课题组与路建明课题组及中科院物理所黄元副研究员合作，首次研究了从单层到少层的MnBi₂Te₄在层数、温度、外磁场等参数空间下的磁行为。该研究成果以“Odd-even layer-number effect and layer-dependent magnetic phase diagrams in MnBi₂Te₄” 为题在《物理评论X》（Physical ReviewX, PRX）上发表。

图1. MnBi₂Te₄晶体结构以及磁结构。

图1展示了MnBi₂Te₄的原子结构示意图，每个单层中包含7个原子层，形成Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te七重层（SL）。在每个SL层内，Mn原子的磁矩铁磁排列，而在两个SL层之间，Mn原子磁矩反铁磁耦合，形成A-type的反铁磁结构。理论计算表明MnBi₂Te₄的拓扑性质随层数有明显的依赖关系，这可能和其A-type的反磁结构对表面拓扑性质的影响有关。因此，揭示MnBi₂Te₄磁性随层数的变化及其磁态在外磁场、温度下的具体演化规律对于进一步结合其拓扑性质和磁性的研究具有重要的意义。

在这项工作中，浙江工业大学的许晓峰课题组合成了高质量的MnBi₂Te₄块材，中科院物理所黄元副研究员利用独立发展的新型解理技术，成功制备出从单层到少层连续变化的MnBi₂Te₄薄层样品。北京大学团队通过反射磁圆二向色性谱（reflective magnetic circular dichroism，RMCD）揭示了从单层到少层的MnBi₂Te₄在层数、温度、外磁场等参数空间下的磁行为，发现了本征磁性拓扑绝缘体材料MnBi₂Te₄中spin-flop场随层数变化的奇偶效应（odd-even layer-number effect），如图2。基于此实验现象，利用一维线性链模型研究者得到层间交换耦合强度和磁各项异性能等基本磁参数，并详细解释了在各个层数下样品自旋翻转随外加磁场的演化过程，以及在较厚偶数层样品中的多步spin-flop（multistep spin-flop），揭示了表面spin-flop（surface spin flop，SSF）和块体spin-flop（bulk spin flop，BSF）的过程。工作通过实验结果与理论结果的对照，有望为未来进一步揭示MnBi₂Te₄中磁性和拓扑性质的相互关系并利用层数、外场等调控磁性从而调控拓扑性质的提供重要基础。

图2. 少层MnBi₂Te₄中磁性行为的奇偶效应及磁演化过程。

随着温度升高，磁性材料经历反铁磁到顺磁的磁相变，通过对RMCD 信号的温度拟合，能够得到如图3的层数-温度磁相图；在低于奈尔温度范围内，利用平均场近似模拟得到各个不同层厚样品随温度、外磁场下的磁相变演化，从而获得在各个层厚下的样品的磁场-温度磁相图，如图4。实验结果和理论计算的一致性证明了这一有限温度模拟方法对于其他磁性材料体系也有一定的借鉴价值。在变化的外部磁场和温度下，具有不同层数的MnBi₂Te₄样品中的复杂的磁态可被用来进一步操纵该材料的相关量子态。

图3. 单层至9层MnBi₂Te₄光学照片及层数、温度依赖的磁相图。

图4. 少层MnBi₂Te₄温度、外磁场依赖的磁相图。

北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所和人工微结构与介观物理国家重点实验室研究员叶堉、路建明和中国科学院物理所副研究员黄元为文章共同通讯作者，北京大学物理学院博士研究生生杨诗祺、博士后徐晓龙与本科生朱尧峥为文章共同第一作者。这一工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中国科学院青年创新促进会等支持。

文章链接：

https://journals.aps.org/prx/pdf/10.1103/PhysRevX.11.011003

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