信息来源：物理学院网站  发布日期：2025-04-17

2025年4月16日，国际顶级学术期刊《Nature》在线发表了中国人民大学物理学院刘畅副教授课题组与清华大学物理系王亚愚教授、张金松副教授团队的合作研究成果《Antiferromagnetic quantum anomalous Hall effect under spin flips and flops》。该研究首次在实验上实现了反铁磁量子反常霍尔效应在多参数下的精准调控，揭示了层状拓扑反铁磁材料MnBi2Te4中自旋构型驱动的级联量子相变及面内磁场对量子输运的独特增强效应，这些发现为拓扑量子物态的基础研究与自旋电子学器件应用开辟了新方向。

量子反常霍尔效应：磁性拓扑物态研究理想平台

量子反常霍尔效应是一种无需外磁场的量子化输运现象，同时也被认为是量子霍尔效应中无耗散边缘态输运得以应用的关键，其核心在于材料拓扑非平庸能带与磁有序之间的相互作用。近年来，MnBi2Te4因兼具本征反铁磁序和拓扑绝缘体特性，成为探索新奇拓扑物态的理想平台，同时其也被理论预言能够在高温实现无耗散电子输运。作为目前实验上发现的唯一具有体态反铁磁序的量子反常霍尔效应系统，MnBi2Te4在对接低功耗输运器件和拓扑反铁磁自旋电子学方面具有重要价值。然而，其层间自旋动力学如何影响量子化输运以及能否通过外部参数调控产生新的物理效应，一直是领域内长期以来尚未解决的重要科学难题。

突破制备瓶颈：从器件优化到物性调控

刘畅副教授课题组长期致力于低维量子材料的器件制备与输运研究，课题组在前期工作中首次发现了微加工对量子输运的影响，指出了光刻胶是影响量子反常霍尔效应实现的关键因素[Nature Communications15,3399(2024)]。针对这一关键问题，团队创新性地引入氧化铝覆盖层技术，在保护拓扑表面态的同时显著提升了表面磁各向异性，解决了过去五年来MnBi2Te4体系量子反常霍尔效应在实验上难以重复的研究瓶颈[Nature Communications16, 1727 (2025)]。这些器件制备和物态构筑方面的突破性进展，为后续开展拓扑量子物性调控研究奠定了重要实验基础。

多参数调控揭示全新物理现象

在本项工作中，团队成员利用前期发展的微纳加工方法，成功制备了厚度为7层的高质量MnBi2Te4拓扑输运器件，通过栅压、磁场和温度等多维度调控，首次揭示了反铁磁量子反常霍尔效应中一系列全新物理现象和调控效应(如图1所示)。级联拓扑量子相变：通过调节栅压和垂直磁场，团队发现MnBi2Te4器件在磁场下呈现出一系列由自旋构型变化驱动的级联拓扑量子相变，器件霍尔电阻出现多次对量子化的偏离与恢复，同时纵向电阻也伴随耗散的反复突现与消失，这种级联相变在此前任何量子霍尔系统中都鲜有观测。面内场硬化面外磁性：除了垂直磁场下的相变行为，团队还发现施加面内磁场会显著增强面外磁性，这种面内场硬化磁滞的现象在磁性材料中非常少见，这一发现也颠覆了面内磁场会压制垂直磁序的传统认知，揭示了二维拓扑反铁磁体中独特的自旋响应机制。面内磁场提升量子化表现：除了对磁性的增强，团队还发现面内磁场对量子化输运具有显著的优化作用，其不仅扩大量子化输运在栅压调控下的相图范围，还提升了霍尔电阻的量子化精度。结合第一性原理计算和自旋链模型模拟，团队发现氧化铝覆盖层引起的表面磁各向异性增强以及层间反铁磁耦合是调控量子反常霍尔效应的关键机制。

图1：反铁磁量子反常霍尔效应在电场、磁场和温度等多参数调控下的新物理效应和现象，包括级联拓扑量子相变、面内场硬化面外磁性和面内磁场提升量子化表现。

应用前景与科学意义

该研究首次实现了反铁磁量子反常霍尔效应的多参数协同调控，提出了一种通过界面工程操纵拓扑表面态的新方法，相关成果为拓扑反铁磁自旋电子学器件的开发奠定了重要基础，并有望推动低功耗量子器件和高密度信息存储技术的应用，同时也为探索各种新奇磁性拓扑物态的调控机制开辟了新路径。中国人民大学物理学院刘畅副教授、清华大学物理系张金松副教授和王亚愚教授为文章的共同通讯作者，合作团队还包括清华大学江万军副教授和徐勇教授课题组。该工作得到了国家自然科学基金、北京市科技新星计划、科技部重点研发项目、科技创新2030重大项目、基础科学中心项目、新基石项目和中国人民大学科研基金的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08860-z