Science: 低溫強磁場磁力顯微鏡—調控拓撲緣體磁疇壁手性邊界態

    拓撲緣體，顧名思義是緣的，有趣的是在它的邊界或表面總是存在導電的邊緣態，這是拓撲緣體的*性質。近期，理論預測存在的拓撲緣體在實驗上被證實存在于二維與三維材料中，引起了科研界的大量關注。通常二維電子氣體系中存在著量子霍爾效應，實驗中觀測到了手性邊界態存在于材料的邊界。在三維體材料的拓撲緣體中實驗上可觀測到反常量子霍爾效應。

   K. Yasuda, Y. Tokura等人用德國attocube公司的低溫強磁場磁力顯微鏡attoMFM在0.5K溫度與0.015T磁場環境下，證實了拓撲緣體磁疇壁的手性邊界態的可調控性能，不同于之前實驗上觀測到的拓撲緣體中自然形成隨機分布的磁疇中的手性邊界態。Y. Tokura等人基于Cr-摻雜 (Bi1-ySby)2Te3制備了拓撲緣體薄膜，基底是InP（如圖1C）。圖1D為在0.5K低溫下使用MFM測量的材料中的磁疇分布，可以清晰看到自然形成的隨機分布的大小與形貌不的磁疇。通過使用MFM磁性探針的針尖在0.015T的磁場環境下掃描樣品區域成功實現了對材料磁疇的調控。圖1F為調控后樣品的磁疇情況，被探針掃描過的區域，磁疇方向保持致。

圖1： A&B 拓撲緣體磁疇調控示意圖；C 拓撲緣體材料結構；D attoMFM實驗觀測自然形成多個磁疇； E&F MFM探針調控磁疇

    該拓撲緣體磁疇反轉的性能隨磁場大小變化的結果也被仔細研究。通過緩慢改變磁場，不同磁場下拓撲緣體樣品的磁疇方向可清楚地被證實發生了反轉（見圖2）。通過觀察，隨機分布氣泡狀磁疇（0.06T磁場附近）般的大小在200納米左右。

圖2： A 霍爾器件電測量結果；B attoMFM觀測不同磁場下拓撲緣體的磁疇情況

    不僅通過attoMFM直觀觀測分析磁疇手性邊界態調控，電學輸運結果也證實手性邊界態的調控。圖3為在溫度0.5K的時候，拓撲緣體電學器件以及相應的電學測量數據。數據表明，霍爾電阻可被調控為是正負h/e2的數值，證實了不同磁疇的手性邊界態的調控被實現。作者預見，該實驗結果對于低消耗功率自旋電子器件的研究提供了種可能的途徑。

圖3：拓撲緣體制備器件反常量子霍爾效應結果證實磁疇手性邊界態調控

圖4：拓撲緣體磁疇手性邊界態調控相關設備—低溫強磁場原子力磁力顯微鏡

低溫強磁場原子力磁力顯微鏡attoAFM/MFM主要技術點：
-溫度范圍：mK...300 K
-磁場范圍：0...12T (取決于磁體)
-樣品定位范圍：5×5×5 mm³
-掃描范圍: 50×50 μ㎡@300 K, 30×30μ㎡@4 K
-商業化探針
-可升PFM, ct-AFM, SHPM, CFM等功能

參考文獻：
“Quantized chiral edge conduction on domain walls of a magnetic topological insulator” K. Yasuda, Y. Tokura et al, Science 358, 1311–1314 (2017)