量子反常霍尔效应是指无需外加磁场就能实现量子化的霍尔电导。该效应首先在磁性原子掺杂的(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体薄膜中被观测到，但是观测温度极低（约百毫开尔文量级）。最近本征磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4的发现为实现高温量子反常霍尔效应提供了新的材料体系。MnBi2Te4为层状范德华材料，一层中包含7个原子层，层内的Mn原子间为铁磁耦合但层间为反铁磁耦合。2020年实验在5层的MnBi2Te4样品中观测到了量子反常霍尔效应，对应的观测温度为1.4K，外加磁场可以进一步将MnBi2Te4的层间磁矩平行排列即实现层间铁磁耦合，对应的观测温度能提高至6.5K。因此，本征反铁磁拓扑绝缘体是目前实现量子反常霍尔效应的最优材料之一，但是其层间的反铁磁耦合大大限制了量子反常霍尔效应的观测温度。

最近，我校许小红教授与河北师范大学的齐世飞教授、中国科学技术大学的乔振华教授团队共同合作发现，通过p型非磁性元素掺杂，如N/P/As，Na/Mg/K/Ca等，可以将MnBi2Te4的层间反铁磁耦合转变为铁磁耦合，发现Mg和Ca元素是最合适的掺杂原子。虽然两层的MnBi2Te4的能带是拓扑平庸的，但是当层数增加时，Ca/Mg掺杂的MnBi2Te4能够实现陈数为-1的量子反常霍尔效应，同时层间还能够保持稳定的铁磁耦合特性。类似的非磁性掺杂已经在拓扑绝缘体中实验实现，因此该方案具有非常高的实验可行性，同时本征MnBi2Te4中通常存在n型缺陷导致体能隙位于费米面以下，通过p型非磁性掺杂，不仅能够将体系的费米面调控到体能隙中，而且能够保持Mn原子之间的有序排列，从而不引入新的磁性杂质态。该发现能够克服在MnBi2Te4中观测量子反常霍尔效应的外加磁场，具有极高的实验可行性。

研究成果以《Interlayer ferromagnetism and high-temperature quantum anomalous Hall effectin p-doped MnBi2Te4 multilayers》为题发表于Phys. Rev. B期刊上。

全文链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.103.245403

p型掺杂结构图及不同掺杂元素和位置的形成能