PLD Commentary (江南物语):
为拓扑绝缘体穿上红磁畴


在中土大地,一些冷角通过各种炒作模式变成明星的戏码经常上演,倒了很多国人胃口。但是,也有一些灰姑娘通过自身魅力展示而成为耀眼明星的范例,这靠的是实力和蕙质兰心。物理学中属于后者的实例正在开始多起来,比如“量子反常霍尔效应”、比如“中微子”、比如“铁基超导”、也比如最近的“味儿(weyl)半金属”。这是中国科学界甚至是百姓生活中不是很多见的正能量。在成为明星之前,大概鲜有雅贤明白啥是“量子反常霍尔效应”、啥是“中微子”,但薛其坤们让前者如花似玉、王贻芳们让后者芳草如茵。我们不过是凝聚态凡人,当然更喜欢看如花似玉。


图1. 上:整数QHE,取自薛其坤的报告。下左:量子霍尔效应的唯像解释,下右:量子反常霍尔效应的图像(http://www.u-tokyo.ac.jp/content/400021206.jpg)。

要理解“量子反常霍尔效应(QAHE)”(俺念起来都拗口!),先看“量子霍尔效应(QHE)”。所谓QHE主要是指在一个二维电子气系统中,电子气被限制在极薄准二维层内运动,电流为I。在垂直层面方向施加强磁场B,则层面与电流I相垂直的方向上出现电势差VH (霍尔电压),RH=VH/I为霍尔电阻。冯·克利青老先生37岁那年飞来横运,在4.2K或更低温度测量发现RH与B关系在总的直线趋势上出现一系列平台,平台处的RH=h/me2,这里m是正整数,h为普朗克常数,e为电子电荷。此即整数量子霍尔效应,如图1(上)所示。看君别忘了这个25800欧姆的电阻值,也就是世界杯对德国足球队“欧巴灵灵、欧巴灵灵”的欢呼声,与中土大地没有什么关系。量子霍尔效应是不是有应用前景尚不是很明确,但其中的机制已经昭然,其实质是强磁场B迫使电子运动由直线变为垂直磁场的圆周运动。由此,电子结构发生重构,准连续谱变为反映圆周运动的朗道能级,如图1(下左)所示。当然,随后又发现了分数量子霍尔效应,其机制包括了电子关联行为,过于复杂,在此不论。

显然,即便是从应用角度,要施加一个很大磁场来观赏如花似玉都是很费力的,要知道产生磁场比产生电场难得多,更不要说磁场这个轴矢量很难handle到局域。因此,如果材料本身天生就有某种机制产生内磁场,QHE也许就无需脂粉而天生丽质了。事实上,这就是所谓的QAHE,如图1(下右):它不依赖于强磁场,而由材料本身的自发磁化(矩)M来产生,在零磁场中就可以实现量子霍尔态,从而更易付诸实际应用。薛其坤们在2013年首次观测到这个效应,如图2(右)所示。从此,中土物理界也可以接受“欧巴灵灵、欧巴灵灵”的欢呼声,将中土足球队远远甩在后面。


图2. 左:几种霍尔效应的示意图(http://aappsbulletin.org/img/201306/feature_01_a.jpg)。右:薛其坤等在Cr掺杂BixSb2-xTe3(BST)中看到的霍尔效应,最外面那个曲线是高度就是“欧巴灵灵”。注意,这里的温度是30mK(妈呀),外加磁场0.12T以上(对有些高密度应用这个要求也不容易)。

我们看到,薛其坤等穷其精力获得这个结果有两大看点,亦或是两大板块。其一,实现QAHE的温度奶奶的太低了,一般人搞不定。其二,制备的材料必须是天之骄子、人中龙凤,这一般物也做不到。这大概就是QAHE一直是灰姑娘的重要原因。所幸的是,拓扑绝缘体呱呱坠地,其特殊的能带拓扑结构为材料表面带来极其有利的量子输运特性。与一般二维电子气系统相比,拓扑表面态的特殊线性色散关系和拓扑保护性使得磁场不再是产生量子霍尔效应的必须。此时,如果能够使其内部具有一定的铁磁性而又不破坏体带隙和拓扑表面态,那么QAHE摇曳登台就万事俱备。物理所方忠们跟张守晟合作,预言Cr(Fe)掺杂的Bi2Te3、Bi2Se3和Sb2Te3等符合这些严苛条件,从而为薛其坤们在Cr掺杂的BixSb2-xTe3(BST)舞台上推出如花似玉QAHE提供了精神支持。

需要指出的是,要获得磁性离子掺杂的拓扑绝缘体态可不是一件易事。任何一点晶体缺陷都可能让一切脂粉散尽。所谓女为悦己者容,天之大任、为守而择。薛其坤们主攻表面物理和薄膜外延生长多年,已经有段誉恣意六脉之力和阿朱纤手易容之术。他能够将BST薄膜打扮得粉黛千层、金睛不辨,从而为体态绝缘而表面态拓扑奠定了基础,如花似玉已无需洪荒之力、跃然台上。

当然,这是他话,事实上我们在这里赞扬薛其坤们已经太多了。^_^

好吧,这里有什么问题呢?有一点。我们说磁性离子掺杂导致BST中出现磁矩M,从而产生内磁场,导致QAHE。但是,我们“看”到了薄膜内的铁磁性吗,真真切切看到了吗?看君知道,有很多证据都表明BST薄膜的确有磁性,但凝聚态磁学的玩家们会说:您给我磁畴看看?看到了磁畴,我就信了!这种顽固不化的理念总得克服,使得大家相信倾国倾城的的确是QAHE。最近,美国Rutgers大学的Weida Wu(吴伟达?)教授带领的团队就部分摧毁了这种顽固不化。他们利用超低温磁力显微术MFM (magnetic force microscopy)在V掺杂的BST薄膜中实实在在“看”到了铁磁畴,如图3所示。


图3. Weida Wu们在Sb1.89V0.11Te3中看到的铁磁畴信号及其演化,温度为5K。取自npj Quant. Mater. 1, 16023 (2016)。

这是一个令人羡慕的结果。一者,有多少人有这个超低温MFM?凝聚态物理进入重武器时代,这是一个证据。二者,如此低温下,与一般磁体比较,磁性拓扑绝缘体中的磁行为极其酥软,就像梅艳芳的“女人花”。三者,拓扑绝缘体中的磁化竟然也是成核生长的模式,令人意外,也可见磁学的日久弥新不过是过眼烟云,亦或让人感叹“磁学之风,山高水长”。

Weida Wu们将其结果以“Visualizing ferromagnetic domain behavior of magnetic topological insulator thin films”(http://www.nature.com/articles/npjquantmats201623)为题,撰写华章呈现给我们。看君如果有兴致,可移步Wenbo Wang等人10月21日在《npj Quantum Materials》上发表的文章:http://www.nature.com/articles/npjquantmats201623

(感谢董帅审阅此文)