本征的磁性拓扑绝缘体是有望实现高温量子反常霍尔效应的候选材料，近两年来合成的MnBi₂Te₄是一种新型的本征层状磁性拓扑材料，每层MnBi₂Te₄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，如图1所示。理论计算表明MnBi₂Te₄的拓扑性质随层数有明显的振荡关系，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磁性随层厚的变化及其磁行为在外磁场、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意义。

图1 MnBi₂Te₄晶体结构以及磁结构

6163银河线路检测中心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合作者通过解离MnBi₂Te₄块材获得不同层数的样品，并利用反射磁圆二向色性谱（reflective magnetic circular dichroism，RMCD）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，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所示。基于此实验现象，研究者利用一维线性链模型得到了层间交换耦合强度和磁各项异性能，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）过程，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。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。

图3 单层至9层MnBi₂Te₄光学照片及层数、温度、外磁场依赖的磁相图

该工作于2021年1月6日在线发表于学术期刊《物理评论X》（Physical Review X）上，文章题目为“Odd-even layer-number effect and layer-dependent magnetic phase diagrams in MnBi₂Te₄” (DOI: PhysRevX.11.011003）。6163银河线路检测中心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，6163银河线路检测中心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。MnBi₂Te₄块材样品由浙江工业大学许晓峰课题组制备。该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