近日，我院张会生教授团队在二维磁性材料领域取得重要突破，相关研究成果以题为《Septuple XBi2Te4 (X=Ge, Sn, Pb) intercalated MnBi2Te4 for realizing interlayer ferromagnetism and quantum anomalous hall effect》和《Electron doping: A generic approach for realizing interlayer ferromagnetic coupling in the antiferromagnetic MnBi2Te4 family of materials》分别发表于《npj Quantum Materials》（SCI一区）和《Physical Review B》（SCI二区）。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金和山西省应用基础研究计划支持。
磁性拓扑绝缘体（MTIs）通过拓扑能带结构赋予磁性，在凝聚态物理学和材料科学中引起了广泛关注。然而，如何实现高温量子反常霍尔效应（QAHE）仍然是凝聚态物理学中的一个重大挑战。MnBi2Te4（MBT）是一种本征磁性拓扑绝缘体，其为实现高温QAHE提供了新的平台。然而，其固有的层间反铁磁耦合使得其无法实现高温QAHE，因此实现层间FM耦合尤为重要。
研究团队提出通过电子掺杂来实现层状MBTs中的层间FM耦合（图1）。该机制基于电子掺杂可以将MBTs的Bi-p轨道向下驱动到费米能级，此时未完全占据的Bi-p轨道间接允许两个相邻MBT之间的Mn原子打开相同自旋的通道，进而导致层间FM耦合。通过第一性原理计算证明了电子掺杂（包括Li、Na、K、Ca、Al和Ga掺杂剂）确实可以诱导MBT双层中的层间AFM向FM相变，并伴有半导体向金属相的转变。进一步的拓扑表征发现，当MBT表面掺杂原子时，费米能级以下的拓扑态保持良好，该拓扑态可通过角分辨光电子能谱观察到。
此外，研究团队还提出在MBT双层中通过插入七重层拓扑绝缘体XBi2Te4（X = Ge、Sn和Pb）来实现层间FM耦合（图2）。基于第一性原理计算，发现X原子的违背占据的pz轨道可以充当媒介使得层间Mn原子之间出现FM耦合。蒙特卡罗模拟预测MnBi2Te4/PbBi2Te4/MnBi2Te4异质结的磁转变温度为38 K。能带结构和拓扑分析证实，所有MnBi2Te4/XBi2Te4/MnBi2Te4异质结都可实现QAHE（图3），其中，MnBi2Te4/PbBi2Te4/MnBi2Te4的拓扑带隙为72 meV，远超MnBi2Te4双层的拓扑带隙。
以上研究工作为在反铁磁MnBi2Te4中实现层间FM耦合提供了一条实用的途径，为实现高温QAHE提供了理论依据，并推进其在量子计算和自旋电子学方面的应用。
图 1(a, c) 具有层间AFM耦合的原始MBT双层和具有层间FM耦合的电子掺杂MBT双层的结构构型；(b, d) MBT和电子掺杂MBT双层中AFM和FM耦合示意图。
图 2(a, b) MBT双层和MBT/PBT/MBT异质结的晶体结构; (c)实现层间铁磁耦合的物理机制。
图3 MBT/PBT/MBT异质结的拓扑性质。
