北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、纳光电子前沿科学中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室叶堉研究员课题组与中国人民大学夏天龙教授、中国科学院大学周武教授、北京理工大学黄元教授等合作，首次揭示了本征磁性拓扑绝缘体MnBi₄Te₇和MnBi₆Te₁₀在二维极限下铁磁-反铁磁共存的磁基态及其交换偏置效应。2022年12月10日，相关研究成果以《MnBi₄Te₇和MnBi₆Te₁₀中的铁磁-反铁磁共存基态和交换偏置效应》（“Ferromagnetic-antiferromagnetic coexisting ground state and exchange bias effects in MnBi₄Te₇ and MnBi₆Te₁₀”）为题发表于《自然·通讯》（Nature Communications）上。

由MnBi₂Te₄和Bi₂Te₃交错排列形成的天然超晶格结构MnBi_2nTe_3n+1(n= 2, 3)具有本征的磁性和拓扑性质，使得这类材料为实现新奇拓扑量子态提供了具有广阔前景的研究平台。MnBi₄Te₇(n=2)和MnBi₆Te₁₀(n= 3)中的磁性MnBi₂Te₄层分别被一层和两层非磁性层Bi₂Te₃隔开，这使得层间的磁耦合大大降低，有望在更低的磁场甚至是零场下实现量子反常霍尔效应。然而，该材料体系在二维极限下的磁性研究目前仍是空白，这严重阻碍了基于该材料体系的量子现象的研究。

因此，课题组通过机械解理获得了层数变化的少层样品，利用反射磁圆二向色性谱（RMCD）首次揭示了这两种材料在二维极限下铁磁-反铁磁共存的磁基态（图1.a—e）。其随外磁场的磁演化过程表现为激光斑点（直径约2μm）内共存的铁磁（在H_c处发生翻转）和反铁磁（在H_f处发生翻转）成分的磁翻转，且反铁磁（铁磁）成分的占比随厚度增加逐渐增大（减小），但随温度几乎保持不变（图1.f—g），这与其铁磁-反铁磁共存的磁基态起源息息相关。

图1.a—b：MnBi₆Te₁₀少层样品光学照片及表面形貌扫描图；c：少层MnBi₆Te₁₀ RMCD-μ₀H磁翻转曲线；d—e：3层MnBi₆Te₁₀温度依赖的磁翻转；f—g：铁磁-反铁磁占比随厚度及温度变化

通过扫描透射电子显微镜（STEM）及单晶X射线衍射（SC-XRD）对晶格结构的研究，课题组发现MnBi_2nTe_3n+1(n= 2, 3)材料在空间上分布着普遍存在的Mn占据Bi原子的Mn_Bi替位缺陷（图2. a—b），Mn_Bi缺陷之间在Bi层内铁磁耦合，但Mn_Bi与本征Mn磁性层之间反铁磁耦合（图2. c—d）。这将导致层间反铁磁态和铁磁态能量差随着Mn_Bi缺陷浓度的增加（及Mn空位增多）而增加，甚至出现反号（即从反铁磁基态到铁磁基态），对应样品磁基态的改变。由此，空间分布不均匀的缺陷将对其层间耦合产生对应的空间调制，导致样品中空间分布的铁磁-反铁磁共存的磁基态。

图2.a—b MnBi₆Te₁₀截面STEM及元素空间扫描图；c—d MnBi₆Te₁₀（及MnBi₄Te₇）中铁磁与反铁磁基态结构

由于铁磁-反铁磁共存的磁基态，铁磁与反铁磁成分之间的相互耦合有望提供新奇的交换偏置（EB）现象。基于此，课题组在MnBi₄Te₇和MnBi₆Te₁₀少层样品中观测到了偏置方向可控的EB效应。该EB效应不需要复杂的升温再带场降温的过程，仅需施加单一极化初始磁场即可实现偏置方向的改变（图3）。合作工作为磁性材料中磁序的精细调控提供了一种新的思路，为基于MnBi₄Te₇和MnBi₆Te₁₀的量子现象的研究及其应用提供了磁性研究基础。

图3. a—b 6层MnBi₄Te₇和MnBi₆Te₁₀中方向可调的交换偏置效应；c—f 温度依赖的交换偏置行为

北京大学博雅博士后（现为北京理工大学预聘教授）徐晓龙、北京大学前沿交叉学科研究院2018级博士研究生杨诗祺为论文共同第一作者；夏天龙、周武、黄元和叶堉为论文共同通讯作者；主要合作者还包括中国人民大学雷和畅教授，北京大学罗昭初研究员、杨金波教授，北京理工大学王业亮教授等。

上述研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金，以及北京大学长三角光电科学研究院等支持。