复旦大学微纳电子器件与量子计算机研究院沈健/周晓东课题组与物理系王熠华教授，清华大学物理系王亚愚教授/张金松教授课题组，以及苏州大学高等研究中心陈垂针教授等合作，在反铁磁拓扑绝缘体MnBi2Te4中观察到导电拓扑边界态。该研究成果以“零磁场下偶数层MnBi2Te4中边界态的直接成像”（Direct visualization of edge state in even-layer MnBi2Te4 at zero magnetic field）为题于2022年12月13日在线发表在学术期刊《自然通讯》（《Nature Communications》）上。
拓扑量子物态研究已成为凝聚态物理领域一个重要分支，其中磁性与拓扑序的结合可以催生出许多新奇的拓扑物态，最具代表性的是量子反常霍尔效应态（quantum anomalous hall effect, QAH）。QAH最先在磁性掺杂拓扑绝缘体薄膜Cr-(Bi,Sb)2Te3中实现，但是掺杂引入的无序将QAH的观测温度限制在0.1K量级。MnBi2Te4作为本征的反铁磁拓扑绝缘体，极大降低了体系的磁无序，有望实现更高温度的QAH，引起领域里的极大关注。MnBi2Te4的基本结构单元是一个Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te 7原子层（septuple layer, SL）。在单个SL层内，Mn的磁矩沿着面外方向平行排列，而相邻SL层Mn的磁矩反平行排列。因此MnBi2Te4具有A型反铁磁序（图1a）。作为层状范德瓦尔斯材料，利用胶带机械剥离的办法，人们可以很容易地制备只有几个原子层厚度的MnBi2Te4薄层样品。奇数层MnBi2Te4具有剩余磁矩，理论预言它的基态是QAH。该预言很快被实验证实，QAH的观测温度提高到了1.4K。偶数层MnBi2Te4的磁矩完全抵消，理论预言它的基态是轴子绝缘体态（axion insulator）。输运测量在6SL-MnBi2Te4处在反铁磁序时测到一个零霍尔电导平台（zero Hall plateau, ZHP），该ZHP与轴子绝缘体态的图像是符合的。外加磁场可以驱动6SL-MnBi2Te4从反铁磁态变成铁磁态，相应地，体系从轴子绝缘体态经历拓扑量子相变变成高场下的陈绝缘体态（Chern insulator）。
最近，沈健/周晓东课题组利用扫描微波阻抗显微镜（scanning Microwave Impedance Microscopy，sMIM）研究偶数层MnBi2Te4薄层样品（6SL）。sMIM是新近发展起来的工作在微波频段（3GHz）的近场光学扫描探针技术，通过测量材料微区的微波反射率表征材料的局域电导率或者介电常数变化，空间分辨率可以达到50nm（图1b）。课题组首先利用传统宏观输运手段测量6SL-MnBi2Te4，如图1c所示，在高磁场下（大于6T），材料的霍尔电阻处于一倍量子霍尔平台，表明体系处于陈绝缘体态。在小磁场下（小于4T），霍尔电阻出现零平台，暗示体系处于轴子绝缘体态。课题组随后利用sMIM对材料的局域电导率进行成像。如图1d所示，9T下，sMIM图像显示出样品内部是绝缘的（sMIM信号小），而样品边界是导电的（sMIM信号大）。这与陈绝缘体态是一致的，此时材料具有导电的拓扑边界态。令人意外的是，0T下，sMIM图像表明材料也存在一个导电边界态。这个发现与轴子绝缘体态的图像是矛盾的，因为后者要求三维拓扑绝缘体的二维拓扑表面态的能隙完全打开，体系从体内到边界都是绝缘的。进一步的理论计算表明，6SL-MnBi2Te4处于时间反演对称破缺的量子自旋霍尔效应态。此时体系具有一对螺旋边界态。由于时间反演对称破缺，该螺旋边界态存在一个小能隙。体系的无序度使得边界态能谱发生展宽，能隙变得不清晰，等效于一个无能隙的边界态，从而解释了sMIM测到的导电边界态。
轴子绝缘体态因为可以实现拓扑绝缘体的量子化拓扑磁电效应而受到研究关注。之前的实验工作在“铁磁/拓扑绝缘体/铁磁”三明治结构上报道实现轴子绝缘体。偶数层MnBi2Te4是另一个被认为可以实现轴子绝缘体的体系，也获得实验的支持。但是这些工作绝大部分都基于输运测量测到ZHP做出判断。我们的工作指出，ZHP只是轴子绝缘体态的必要而非充分条件。在寻找轴子绝缘体的路上，我们还需要大胆假设，小心求证。
图1 (a) MnBi2Te4的晶格结构。(b)扫描微波阻抗显微镜实验示意图。(c) 6SL-MnBi2Te4的霍尔和纵向电阻测量。(d) 0T和9T下的扫描微波阻抗显微镜成像，比例尺是2微米。
沈健教授和周晓东青年研究员为该工作的共同通讯作者，复旦大学微纳电子器件与量子计算机研究院博士生林伟嫣，复旦大学物理系（目前为北京量子信息科学研究院）博士后冯洋，清华大学未来芯片研究中心王永超工程师为共同第一作者。这一工作的主要合作者还包括复旦大学物理系王熠华教授，清华大学物理系王亚愚教授、张金松教授和吴扬教授，苏州大学高等研究中心陈垂针教授。该工作得到了国家基础科学研究中心、国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、上海市启明星计划和江苏高校优势学科建设工程项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-35482-0
