近年來，本征二維磁性拓?fù)浣^緣體受到了廣泛的關(guān)注，特別是在錳鉍碲（MnBi2Te4）材料中觀測(cè)到了許多新奇量子現(xiàn)象，如陳絕緣體、軸子絕緣體等，為未來信息電子器件的設(shè)計(jì)提供了新的契機(jī)。相較MnBi2Te4材料，MnSb2Te4材料的制備窗口更大，此前研究發(fā)現(xiàn)Mn（錳）和Sb（銻）原子的替位濃度會(huì)隨著生長(zhǎng)條件的不同而不同，進(jìn)而改變材料的磁基態(tài)。因此，在二維極限下，揭示鐵磁和反鐵磁的MnSb2Te4材料在層數(shù)、溫度、外磁場(chǎng)參數(shù)空間下的磁狀態(tài)，對(duì)進(jìn)一步開展其拓?fù)湫再|(zhì)研究具有重要意義。

北京理工大學(xué)前沿交叉研究院黃元教授與北京大學(xué)物理學(xué)院葉堉研究員、中國(guó)人民大學(xué)物理系雷和暢教授等合作，首次開展了MnSb2Te4材料在二維極限下的研究。聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)利用黃元教授近年來發(fā)展的獨(dú)特的解理方法分別對(duì)反鐵磁相和鐵磁相的塊材MnSb2Te4進(jìn)行減薄，獲得不同層數(shù)的薄層樣品，并通過反射磁圓二向色性譜（RMCD）研究了樣品的磁演化。

在反鐵磁相研究中，1～9層樣品呈現(xiàn)典型的A型反鐵磁行為，體現(xiàn)出明顯的奇偶層數(shù)震蕩效應(yīng)。在奇數(shù)層中，樣品因未補(bǔ)償?shù)囊粚觾舸啪卦诹銏?chǎng)附近出現(xiàn)遲滯回線，并隨磁場(chǎng)增加，除1層樣品外均經(jīng)歷一次“自旋-翻轉(zhuǎn)”（spin-flop）過程，最后達(dá)到磁飽和態(tài)。而在偶數(shù)層中，因不再有未補(bǔ)償?shù)膬舸啪�，零�?chǎng)附近遲滯回線消失；在大于2層的樣品中，隨著磁場(chǎng)增大，會(huì)先經(jīng)歷一次表面“自旋-翻轉(zhuǎn)”過程，達(dá)到一個(gè)共線的M2態(tài)（磁矩為2層MnSb2Te4的靜磁矩），也就是磁矩與外磁場(chǎng)反平行的表面層磁矩從與磁場(chǎng)反平行翻轉(zhuǎn)到了與磁場(chǎng)平行，之后，再經(jīng)歷體“自旋-翻轉(zhuǎn)”過程，最后達(dá)到磁飽和態(tài)。聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)通過一維線性鏈模型擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得材料的各向異性能和層間相互作用能，從理論上得到了不同層數(shù)反鐵磁樣品的磁演化過程。并發(fā)現(xiàn)反鐵磁相MnSb2Te4的各項(xiàng)異性能與相互作用能的比值略大于MnBi2Te4中的該比值，解釋了在MnBi2Te4中沒有觀測(cè)到穩(wěn)定M2態(tài)的原因，由此也為研究共線M2態(tài)下的量子輸運(yùn)性質(zhì)研究提供了一個(gè)材料體系。

在鐵磁相研究中，少層樣品的磁演化與層數(shù)之間沒有明顯的依賴關(guān)系。相比于厚層樣品，在少層樣品中觀察到更大的矯頑場(chǎng)，這可能是由磁各向異性能變大以及屏蔽作用的減小引起的。較大的各向異性能使得少層樣品在低于居里溫度的整個(gè)測(cè)量溫度范圍內(nèi)一直保持單疇的行為；厚層樣品隨著溫度升高，單疇行為難以保持，會(huì)出現(xiàn)明顯的迷宮疇，在零場(chǎng)下測(cè)得疇的尺寸約為625 nm。

2022年1月3日，相關(guān)研究成果以“MnSb2Te4中層數(shù)依賴的反鐵磁和鐵磁行為”（Layer-Number-Dependent Antiferromagnetic and Ferromagnetic Behavior in MnSb2Te4）為題在線發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters，影響因子：9.161）；黃元、葉堉和雷和暢為共同通訊作者，合作者還包括北京理工大學(xué)劉立巍教授、王業(yè)亮教授，北京大學(xué)高鵬研究員、楊金波教授。

上述研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金以及北京大學(xué)電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室等支持。

(關(guān)鍵字：錳 銻 碲)