本报讯 中国科大合肥微尺度物质科学国家研究中心国际量子功能材料设计中心与物理系牛谦教授和乔振华教授团队及合作者在反铁磁体中预言了量子反常霍尔效应，并可通过电场等方法调控体系的陈数。相关研究成果近日发表在《物理评论快报》上。

该研究团队基于磁性拓扑绝缘体模型计算证明，当偶数层磁性拓扑绝缘体采用破坏空间-时间反演联合对称性的磁结构时，比如(↓↑↑↓)，布里渊区中贝里曲率的分布将不再处处为零。奇妙的是，在MnBi₂Te₄材料的实际参数附近，系统呈现非零的陈数（±1），并具有可调性。通过调控垂直方向的栅极电压或者轨道在位能，可以连续驱动系统进入不同的拓扑相，陈数可以调为|C|=1，2，3，以及陈金属相。对于陈金属相，在弱无序的情况下，小的费米口袋也可能会变得局域化，从而产生拓扑非平庸的安德森绝缘体。

该研究团队还采用第一性原理计算验证了模型的可行性。对于四层磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4，当磁构型为(↓↑↑↓)时，体能隙中存在量子化的反常霍尔电导平台。此外，当存在外部磁钉扎层时，构型↓↑↑↓的能量低于构型↓↑↓↑。因此，破坏空间-时间反演联合对称性的磁结构是稳定的，这与团队的模型预期一致。同时，该工作还通过模型研究了6层反铁磁结构，指出模型研究的结论可以推广到多层的偶数层反铁磁结构。进一步，通过第一性原理计算验证了6层和8层MnBi₂Te₄体系中，获得在不同磁构型下层分辨的陈数分布，指出在各种破坏空间-时间反演联合对称性的磁结构中，只有最外层MnBi₂Te₄的磁化方向一致时系统才能实现量子反常霍尔效应。在较小的压强下，随着层间相互作用的增强，拓扑非平庸能隙可以超过室温能标。

该系列工作获得的拓扑相图和实验实现方案为后续在反铁磁体中拓扑态和电子输运的研究提供了坚实物理基础。

中国科大物理系2024届博士毕业生梁纹豪和合肥微尺度物质科学国家研究中心博后李泽宇为本论文的共同第一作者。

(合肥微尺度物质科学国家研究中心 物理系 中国科学院强耦合量子材料重点实验室）