【摘 要】
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磁学和拓扑学的结合是凝聚态物理学的一个关键研究课题,它为探索一系列新兴物理学现象提供了巨大的机会,例如量子反常霍尔效应(quantum anomalous hall effect,QAHE)、轴子电
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磁学和拓扑学的结合是凝聚态物理学的一个关键研究课题,它为探索一系列新兴物理学现象提供了巨大的机会,例如量子反常霍尔效应(quantum anomalous hall effect,QAHE)、轴子电动力学和马约拉纳费米子等。然而,由于缺乏合适的研究材料,这些奇异的物理效应在实验上很少能够得到实现。现如今,范德瓦尔斯层状Mn Bi2Te4等一系列相关材料问世,它们显示出了层间铁磁和层间反铁磁交换相互作用。在Mn Bi2Te4中发现了非常丰富的拓扑量子态,具有非常突出的优异特性,包括它是一种反铁磁拓扑绝缘体,其表面具有我们长期寻找的拓扑轴子态,它是具有一对外尔(Weyl)点的II型磁性Weyl半金属,以及在偶数层和奇数层薄膜中的本征轴子绝缘体和量子反常霍尔绝缘体的集合等。如果这些特性在实验上得到证实,可能会深刻地改变拓扑量子物理的未来研究和技术。在Mn Bi2Te4薄层的铁磁状态下,量子反常霍尔电导的观察引起了人们的广泛关注。然而,由于大的反铁磁层间交换耦合作用,需要通过外加强磁场来实现磁矩的完全极化。本课题系统地研究了具有范德瓦尔斯耦合的磁性拓扑绝缘体Mn Bi4Te7和Mn Bi6Te10单晶的磁学和电学输运性质。将生长的单晶样品利用X射线衍射进行初步的分析与表征,然后通过一系列实验操作对样品进行封装和电极制备,进而运用综合物性测量系统(Physical Property Measurement System,PPMS)进行单晶磁性能和电输运性质的测量。之后对实验结果进行了充分探讨,分析了观察到的现象以及其中的机理,认为在Mn Bi4Te7和Mn Bi6Te10晶体中,非磁性Bi2Te3五元层的插入大大减弱了层间反铁磁交换耦合,进而导致反铁磁转变温度的降低,两种晶体的转变温度TN分别在12.5 K和11 K左右;在低温下,沿c轴方向施加的0.1 T～0.2 T的小磁场时,这两种晶体都发生了自旋翻转跃迁;由于弱的层间反铁磁交换耦合和磁晶各向异性,两种晶体在低温下(5 K以下)都会出现铁磁迟滞现象,这种铁磁迟滞现象表明,即使在零场下,完全极化的铁磁状态也可以保持稳定。这对于实现量子反常霍尔效应是相当关键的。此外,对于Mn Bi4Te7和Mn Bi6Te10单晶,因为其具有的范德瓦尔斯结构,可以通过机械剥离的方法来实现Mn Bi2Te4七元层(septuple layer,SLs)和Bi2Te3五元层(quintuple layer,QLs)的各种叠加序列,因此Mn Bi2Te4(Bi2Te3)n可以通过灵活地调整堆叠顺序为研究拓扑相提供了理想的平台。
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