天然-通信报道量子材料科学中间何庆林研究员等拓扑电荷交换偏置的研究成果

当自旋极化的载流子绝热地经过特定的实空间拓扑自旋结构时，这些自旋结构能像外加的磁场一样对载流子施加额外的作用，使载流子获得肯定的贝里相位，体系因此产生类似于霍尔效应一样的横向电压。但和霍尔电压不同，这种电压既不和外加磁场成正比，也不和体系的磁化强度成正比，这一效应被称之为“几何霍尔效应”或“拓扑霍尔效应”,是倒空间贝里相位所产生的反常霍尔效应在实空间所对应的物理征象。产生该效应的重要缘故原由是体系中存在的拓扑自旋结构，这种拓扑自旋结构的一个典型代表是自旋电子学领域中被广泛研究的磁斯格明子。近年来在B20化合物和重金属多层结构的研究中发现，磁斯格明子能够存在于特定对称破缺的材料或者界面，而“几何霍尔效应”也成为探测磁斯格明子等拓扑自旋结构的一种实验手段。

拓扑电荷的交换偏置机制示意图。在反铁磁体外观的钉轧自旋能帮助正拓扑电荷的成核（红色圆），但克制负拓扑电荷的成核（绿色圆）。

北京大学量子材料科学中的何庆林研究员和合作者在三维拓扑绝缘体和反铁磁体的界面处发现了拓扑自旋结构存在的实验证据，即几何霍尔效应。更紧张的是，因为材料体系的巧妙设计，行使了拓扑绝缘体(Bi，Sb)2Te3壮大的自旋轨道耦合作用，以及A型反铁磁MnTe的界面交换耦合，拓扑绝缘体的外观态被磁化；同时，行使界面处反铁磁体的尼尔序对所产生的拓扑自旋结构的钉轧效应，实验上能实现控制拓扑自旋结构的产生和泯没。如图所示，当在尼尔温度以上时，对体系外加一个垂直方向的磁场并将体系冷却至低温，因为拓扑绝缘体的外观态被磁化，产生了反常霍尔效应。这时候，反铁磁体在界面处会有大量受这种场冷作用而被钉轧的自旋结构。在磁化强度接近饱和的磁场附近，界面处形成大量中间自旋方向和钉轧自旋方向平行的拓扑自旋结构，因此在该磁场附近所产生的几何拓扑效应特别很是显明；当外加磁场反向时，同样在磁化强度接近饱和的磁场附近，这时候界面会形成反拓扑自旋结构，其中间自旋方向和反铁磁中钉轧自旋结构反平行。因此，反拓扑自旋结构不容易在钉轧自旋结构附近形成，因此只能产生少量的反拓扑自旋结构，几何拓扑效应薄弱。以上新的效应是基于传统的交换偏置作用，但又从中提炼出新的物理征象：传统的交换偏置作用行使反铁磁有序实现对铁磁体中的磁矩翻转的调控，而在这个研究中，反铁磁有序所调控的是拓扑自旋结构，也即调节了拓扑电荷的形成机制。

该工作于2018年7月17日发表在着名学术期刊《天然-通信》上。论文标题：“Exchange-biasing topological charges by antiferromagnetism”。

该项工作由量子中间何庆林,美国加州大学洛杉矶分校的王康隆教授团队,美国国家标准与技术研究院的Alexander J. Grutter博士、Brian J. Kirby博士，美国先辈光源实验室的Padraic Shafer博士、Elke Arenholz博士，北京工业大学的韩晓东教授团队，美国加州大学河滨分校的Roger K. Lake教授团队合作完成。其中，何庆林、Gen Yin、Alexander J. Grutter为文章第一作者，何庆林和王康隆为文章共同通信作者。该项工作得到了国家重点研发计划（2018YFA0305601）和中组部“青年千人”计划的支撑。

编辑：凌薇