拓扑材料-反铁磁体异质结界面物理的研究

Topological matters and topological orders have become the focus in the area of condensed matter physics. However, there are still many challenging problems from the fabrication of magnetic topological materials, magnetic ordering temperature, magnetism in micro- and nanostructures, to application research, such as the low transition temperature, induction and manipulation of effective magnetism, underlying mechanism of surface magnetism, and optimization of device performance, which restrict the further understanding about topological matters and their applications. In this proposal, we focus on exploring the relation between magnetic orders and topological orders in topological insulators and Weyl semimetals, utilize antiferromagnet to induce high-temperature, stable, surface ferromagnetism on topological matters, and study the interfacial magneto-electric properties and their potential applications in topological antiferromagnetic spintronics. The research topics include: by introducing Néel order in antiferromagnet, we manipulate the magnetization of the topological surface states, control the topological spin textures, and create novel topological transitions. This proposal aims to increase the transition temperature and discover emergent interface phenomena in topological matter – antiferromagnet heterostructures. It also provides experimental supports and new ideas for fabricating new magnetic topological matters and spintronics from perspectives of materials, interface engineering and basic magneto-electric properties.

拓扑材料、拓扑序的研究已成为凝聚态物理的一个重要热点，但目前相关的磁性拓扑材料的制备、磁有序温度、微纳结构的磁性以及应用研究仍存在许多富有挑战性的难题，如相变温度低、有效磁性的诱导和调控、表面磁性的深层机理、器件性能优化等问题，严重制约对拓扑材料的深入理解和实际应用。本项目着重解决这类问题，提出相应的研究内容和方案，重点探索拓扑绝缘体、外尔半金属等拓扑材料的磁有序和拓扑序的关系，提出利用反铁磁体在拓扑材料的表面诱导出高温、稳定的铁磁有序，并对其界面磁电特性及潜在的应用价值进行研究，制备新一代拓扑反铁磁自旋电子器件。研究内容包括：通过反铁磁尼尔序的引入，调控拓扑材料的表面态的磁化，操作其自旋结构，产生新的拓扑相变。同时通过界面工程，创造新颖拓扑自旋结构，并加以操作。该研究旨在拓扑材料-反铁磁体异质结发现新的界面物理现象，为制备新型拓扑材料及自旋电子器件提供材料、界面工程的实验依据和新的思路。

近年来，以拓扑绝缘体为代表的拓扑量子材料在凝聚态物理、自旋电子学等领域蓬勃发展，利用其拓扑特性和特定磁有序、磁结构的结合，能产生新颖的量子效应，对材料的微纳磁结构的操纵、磁有序温度和界面物理的调控、拓扑相和相变的诱导等具有重要影响。本项目研究了拓扑绝缘体-反铁磁体异质结和多层膜结构，探索反铁磁序对拓扑序的影响，并研究产生、调控微纳拓扑自旋结构的问题。在项目实施过程中，我们通过形成拓扑绝缘体-反铁磁异质结和超晶格结构，诱导出拓扑绝缘体的表面态磁性，分别独立控制拓扑绝缘体的上下表面磁化，实现一系列的新颖的拓扑相变，同时在磁性拓扑绝缘体中观察到具有交换偏置作用的量子反常霍尔效应，揭示了反铁磁序对拓扑序的调控作用。有趣的是，通过外加电流、磁场、温度共同作用下，我们在量子反常霍尔绝缘体中观测了类Berezinskii-Kosterlitz-Thouless相变的发生，并探讨了物理机制，以及在准二维系统下这种类Berezinskii-Kosterlitz-Thouless相变的内廪因素等。本研究结果对于界面磁性的诱发和调控、拓扑相变的产生和调控以及微纳拓扑自旋结构的形成具有实验支撑和指导意义，为拓扑自旋电子学的研究提供了崭新的实验支持，在逻辑器件、存储器件中展现潜在的应用价值。