近期，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室原位電子結(jié)構(gòu)方向組，通過(guò)使用基于同步輻射光源的軟X射線磁性圓二色性能譜和光電子能譜，結(jié)合第一性原理計(jì)算，首次揭示了具有量子反常霍爾效應(yīng)的鐵磁性拓?fù)浣^緣體中的鐵磁性形成機(jī)理。該項(xiàng)研究成果為尋找具有更高溫度的量子反常霍爾體系、研發(fā)新一代超低能耗量子器件的工作提供了重要的依據(jù)。該團(tuán)隊(duì)成員包括葉茂、李煒、沈大偉和喬山等研究人員，相關(guān)研究成果以Carrier-mediated ferromagnetism in the magnetic topological insulator Cr-doped (Sb,Bi)₂Te₃為題，于11月19日發(fā)表在Nature Communications上（DOI: 10.1038/NCOMMS9913）。

　　量子反常霍爾效應(yīng)，是一種不需要外加磁場(chǎng)就能實(shí)現(xiàn)無(wú)能量耗散電輸運(yùn)的新奇量子現(xiàn)象。2013年，清華大學(xué)教授薛其坤領(lǐng)導(dǎo)的研究小組首次在鉻(Cr)摻雜的拓?fù)浣^緣體(Sb,Bi)₂Te₃中實(shí)現(xiàn)了量子反常霍爾效應(yīng)。然而，因該效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)需要低于100mK的極低溫度，目前尋找更高溫度的量子反常霍爾效應(yīng)體系對(duì)于其實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。

　　上海微系統(tǒng)所副研究員葉茂等人，與日本原子能研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)、日本廣島大學(xué)開(kāi)展合作研究，使用世界最大規(guī)模的同步輻射裝置SPring-8所產(chǎn)生的高強(qiáng)度軟X光，利用磁性圓二色性能譜，對(duì)Cr摻雜的 (Sb,Bi)₂Te₃體系進(jìn)行了具有元素分辨能力的磁性測(cè)量。研究結(jié)果表明，在該材料中除了摻雜的Cr元素具有鐵磁性質(zhì)以外，母相晶體中Sb和Te由于電子軌道的雜化效應(yīng)，也具備了鐵磁性質(zhì)。更為重要的是，正是母相晶體中Sb和Te的p電子軌道所具備的磁矩，為形成長(zhǎng)程鐵磁性秩序提供了不可或缺的媒介作用，從而為量子反常霍爾效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)提供了必要的條件。該項(xiàng)研究成果揭示了拓?fù)浣^緣體中本征鐵磁性的形成機(jī)理，為設(shè)計(jì)和制備具有更高實(shí)現(xiàn)溫度的新型量子反常霍爾材料提供了堅(jiān)實(shí)的依據(jù)。

　　該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委青年科學(xué)基金、國(guó)家重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng)的支持。 

　　圖a: Cr- (Sb,Bi)₂Te₃材料中的鐵磁性形成機(jī)理的概念圖；b: Cr含量不同的材料中，Sb元素的X光吸收譜以及X光磁圓二色性能譜；c: Cr與Sb的元素分辨磁化曲線。