铁磁体/拓扑绝缘体异质结磁性邻近效应及Spin Orbit Torque研究

The interplay between magnetism and topological insulators (TI) will be investigated in this project. We will study the magnetic proximity effect in insulating ferromagnet/topological insulator heterostructure in order to reveal the influence of magnetism on the physical properties of TIs. We will also study the spin orbit torque in metallic ferromagnet/topological insulator heterostructure, so we can use the unique properties of TI to manipulate the magnetization of ferromagnet. By systematically investigating the dependence of these two phenomena on the temperature, magnetic field, gate voltage, and film thickness, we aim to realize the high-temperature quantum anomalous Hall effect and clarify the physical mechanism for the spin orbit torque of TI. The successful fulfillment of this project will not only deepen our understanding of the interplay between magnetism and topological insulator, but also pave the way for future application of TIs in potential low-power spintronics devices.

本科研项目将深入研究磁性与拓扑绝缘体之间的相互作用。我们将在绝缘铁磁体/拓扑绝缘体异质结上研究磁性邻近效应，以揭示铁磁薄膜的磁性对拓扑绝缘体物理性质的影响。我们也将在金属铁磁体/拓扑绝缘体异质结上研究一种崭新的物理现象：Spin Orbit Torque，以利用拓扑绝缘体特殊的物理性质来调控邻近铁磁薄膜的磁矩。通过系统研究以上物理现象对温度、磁场、栅压、膜厚等的依赖关系，力图通过磁性邻近效应这一新的方法来实现高温量子反常霍尔效应，并揭示形成Spin Orbit Torque的具体物理机制。本科研项目的顺利执行将使人们对磁性与拓扑绝缘体之间的相互作用有更深入的认识与理解，也为未来拓扑绝缘体在低功耗自旋电子器件的应用打下基础。

在本科研项目的支持下，我们在拓扑量子材料领域开展了一系列的输运及磁学研究，并取得了以下研究成果：1）通过测量Bi2Se3/NbSe2异质结的微分电导谱，揭示了拓扑绝缘体的体态及表面态在超导邻近效应中的不同行为，即零偏压电导峰和微分电导平台；2）通过研究拓扑近藤绝缘体的磁阻及面内霍尔效应，验证了拓扑近藤绝缘体的最新理论模型，并为表面态的拓扑性提供新的实验证据；3）发现3d过渡金属氧化物LaMnO3 (LMO)与可能的拓扑半金属SrIrO3 (SIO)界面存在着很强的磁性耦合，并表现为铁磁/顺磁体系迄今为止最强的交换偏置效应，其来源于LMO极性及SIO自旋轨道耦合共同作用下的界面电荷转移；4）揭示了拓扑量子材料ZrTe5轨道贡献为主的三维的朗道能级劈裂及高温条件下由于Lifshitz Transition所导致的磁阻的异常增强；5）通过在普通铁磁体系中嵌入具有强自旋轨道相互作用的纳米薄片，我们找到一种全新的方法在传统的铁磁体系中诱导产生磁性斯格明子，极大扩展了磁性斯格明子体系。总共发表了14篇相关领域的SCI学术论文，其中（共同）通讯作者文章有10篇，包括Advanced Science, Physical Review B, New Journal of Physics, ACS Applied Materials and Interfaces等。以上积累的研究成果及研究经验将为我们继续研究拓扑量子体系打下坚实的基础，而项目执行期间所遇到的问题也为我们指明了下一步努力的方向。