劉俊明

為拓撲絕緣體穿上紅磁疇

劉俊明

在中土大地，一些冷角通過各種炒作模式變成明星的戲碼經常上演，倒了很多國人胃口。但是，也有一些灰姑娘通過自身魅力展示而成為耀眼明星的范例，這靠的是實力和蕙質蘭心。物理學中屬于后者的實例正在開始多起來，比如“量子反?；魻栃薄⒈热纭爸形⒆印?、比如“鐵基超導”、也比如最近的“味兒半金屬”。這是中國科學界甚至是百姓生活中不是很多見的正能量。在成為明星之前，大概鮮有雅賢明白啥是“量子反常霍爾效應”、啥是“中微子”，但薛其坤們讓前者如花似玉、王貽芳們讓后者芳草如茵。我們不過是凝聚態(tài)凡人，當然更喜歡看如花似玉。

FIG.1 上：整數(shù)QHE，取自薛其坤的報告。下左：量子霍爾效應的唯像解釋，下右：量子反?；魻栃膱D像(http: //www.u-tokyo.ac.jp/content/400021206.jpg)。

要理解“量子反常霍爾效應(QAHE)”（俺念起來都拗口?。瓤础傲孔踊魻栃?QHE)”。所謂QHE主要是指在一個二維電子氣系統(tǒng)中，電子氣被限制在極薄準二維層內運動，電流為I。在垂直層面方向施加強磁場B，則層面與電流I相垂直的方向上出現(xiàn)電勢差VH（霍爾電壓），RH=VH/I為霍爾電阻。馮·克利青老先生37歲那年飛來橫運，在4.2 K或更低溫度測量發(fā)現(xiàn)RH與B關系在總的直線趨勢上出現(xiàn)一系列平臺，平臺處的RH=h/me2，這里m是正整數(shù)，h為普朗克常數(shù)，e為電子電荷。此即整數(shù)量子霍爾效應，如圖1（上）所示?？淳齽e忘了這個25800 ?的電阻值，也就是世界杯對德國足球隊“歐巴靈靈、歐巴靈靈”的歡呼聲，與中土大地沒有什么關系。量子霍爾效應是不是有應用前景尚不是很明確，但其中的機制已經昭然，其實質是強磁場B迫使電子運動由直線變?yōu)榇怪贝艌龅膱A周運動。由此，電子結構發(fā)生重構，準連續(xù)譜變?yōu)榉从硤A周運動的朗道能級，如圖1（下左）所示。當然，隨后又發(fā)現(xiàn)了分數(shù)量子霍爾效應，其機制包括了電子關聯(lián)行為，過于復雜，在此不論。

顯然，即便是從應用角度，要施加一個很大磁場來觀賞如花似玉都是很費力的，要知道產生磁場比產生電場難得多，更不要說磁場這個軸矢量很難handle到局域。因此，如果材料本身天生就有某種機制產生內磁場，QHE也許就無需脂粉而天生麗質了。事實上，這就是所謂的QAHE，如圖1（下右）：它不依賴于強磁場，而由材料本身的自發(fā)磁化（矩）M 來產生，在零磁場中就可以實現(xiàn)量子霍爾態(tài)，從而更易付諸實際應用。薛其坤們在2013年首次觀測到這個效應，如圖2（右）所示。從此，中土物理界也可以接受“歐巴靈靈、歐巴靈靈”的歡呼聲，將中土足球隊遠遠甩在后面。

我們看到，薛其坤等窮其精力獲得這個結果有兩大看點，亦或是兩大板塊。其一，實現(xiàn)QAHE的溫度太低了，一般人搞不定。其二，制備的材料必須是天之驕子、人中龍鳳，這一般物也做不到。這大概就是QAHE一直是灰姑娘的重要原因。所幸的是，拓撲絕緣體呱呱墜地，其特殊的能帶拓撲結構為材料表面帶來極其有利的量子輸運特性。與一般二維電子氣系統(tǒng)相比，拓撲表面態(tài)的特殊線性色散關系和拓撲保護性使得磁場不再是產生量子霍爾效應的必須。此時，如果能夠使其內部具有一定的鐵磁性而又不破壞體帶隙和拓撲表面態(tài)，那么QAHE搖曳登臺就萬事俱備。物理所方忠們跟張守晟合作，預言Cr(Fe)摻雜的Bi2Te3、Bi2Se3和Sb2Te3等符合這些嚴苛條件，從而為薛其坤們在Cr摻雜的BixSb2?xTe3(BST)舞臺上推出如花似玉QAHE提供了精神支持。

FIG.2 左：幾種霍爾效應的示意圖(http://aappsbulletin.org/img/201306/feature_01_a.jpg)。右：薛其坤等在Cr摻雜BixSb2?xTe3(BST)中看到的霍爾效應，最外面那個曲線是高度就是“歐巴靈靈”。注意，這里的溫度是30 mK（媽呀），外加磁場0.12 T以上（對有些高密度應用這個要求也不容易）。

需要指出的是，要獲得磁性離子摻雜的拓撲絕緣體態(tài)可不是一件易事。任何一點晶體缺陷都可能讓一切脂粉散盡。所謂女為悅己者容，天之大任、為守而擇。薛其坤們主攻表面物理和薄膜外延生長多年，已經有段譽恣意六脈之力和阿朱纖手易容之術。他能夠將BST薄膜打扮得粉黛千層、金睛不辨，從而為體態(tài)絕緣而表面態(tài)拓撲奠定了基礎，如花似玉已無需洪荒之力、躍然臺上。

當然，這是他話，事實上我們在這里贊揚薛其坤們已經太多了。∧‘∧

好吧，這里有什么問題呢？有一點。我們說磁性離子摻雜導致BST中出現(xiàn)磁矩M，從而產生內磁場，導致QAHE。但是，我們“看”到了薄膜內的鐵磁性嗎，真真切切看到了嗎？看君知道，有很多證據(jù)都表明BST薄膜的確有磁性，但凝聚態(tài)磁學的玩家們會說：您給我磁疇看看？看到了磁疇，我就信了！這種頑固不化的理念總得克服，使得大家相信傾國傾城的的確是QAHE。最近，美國Rutgers大學的Weida Wu（吳偉達）教授帶領的團隊就部分摧毀了這種頑固不化。他們利用超低溫磁力顯微術MFM(magnetic force microscopy)在V摻雜的BST薄膜中實實在在“看”到了鐵磁疇，如圖3所示。

這是一個令人羨慕的結果。一者，有多少人有這個超低溫MFM？凝聚態(tài)物理進入重武器時代，這是一個證據(jù)。二者，如此低溫下，與一般磁體比較，磁性拓撲絕緣體中的磁行為極其酥軟，就像梅艷芳的“女人花”。三者，拓撲絕緣體中的磁化竟然也是成核生長的模式，令人意外，也可見磁學的日久彌新不過是過眼煙云，亦或讓人感嘆“磁學之風，山高水長”。

FIG.3 Weida Wu們在Sb1.89V0.11Te3中看到的鐵磁疇信號及其演化，溫度為5 K。取自npj Quant.Mater.,2016,1: 16023。

Weida Wu們將其結果以“Visualizing ferromagnetic domain behavior of magnetictopological insulator thin fi lms”(http://www.nature.com/articles/ npjquantmats201623)為題，撰寫華章呈現(xiàn)給我們?？淳绻信d致，可移步 Wenbo Wang等人2016年 10月 21日在《npj Quantum Materials》上發(fā)表的文章：http://www.nature.com/articles/ npjquantmats201623。

1000-0542(2017)03-0119-2

10.13725/j.cnki.pip.2017.03.003