近日，中科院合肥研究院强磁场中心联合安徽大学利用稳态强磁场实验装置相关实验平台，在磁性拓扑绝缘体物性研究方面取得新进展。相关论文以“Magnetic properties of the layered magnetic topological insulator EuSn₂As₂”为题发表在Physical Review B上。

　　本征磁性拓扑绝缘体相比于稀磁掺杂的拓扑绝缘体组分更加均匀，更容易在相对高的温度范围内实现量子反常霍尔效应等丰富量子物态，成为近几年凝聚态物理领域研究的热点。近年来，基于MnBi₂Te₄家族本征磁性拓扑绝缘体的奇异量子物态探索取得了很大进展，比如量子反常霍尔效应、轴子绝缘态以及它们之间的量子转变等。EuSn₂As₂是除MnBi₂Te₄家族以外少数已经理论预言和研究证实的本征磁性拓扑绝缘体。EuSn₂As₂具有稳定结构相和准二维层状结构，其低温磁基态是A型反铁磁结构。EuSn₂As₂内部磁有序与拓扑电子态相互作用可能导致丰富的量子态，但实验上奇异量子效应的实现还未达到人们预期。

　　研究团队通过自助溶剂方法制备出高质量EuSn₂As₂单晶，开展了高磁场下的磁化强度和电输运性质研究。前期试验发现EuSn₂As₂的磁化强度在磁场约3-5特斯拉区域出现磁化平台，但随着磁场增大到7特斯拉，研究人员发现仍有继续上翘的迹象。利用强磁场中心稳态强磁场实验装置的低温测量平台，研究团队得以将磁化测量和电输运的最高磁场拓展到16特斯拉。研究发现在温度2开尔文，磁场方向平行于c轴时，磁化强度曲线在磁场大小为4.6特斯拉时出现磁化平台，磁化强度大小约为～5.6μB/Eu，这与之前的报道结果一致。但随着磁场进一步增大，磁化强度曲线缓慢上翘，在磁场为10特斯拉时基本饱和(大小～6.6μB/Eu)，产生第二个磁化平台并一直持续到最高磁场14特斯拉。与此同时，磁阻曲线也在相应的临界磁场处产生拐点，随着磁场增大从负磁阻转变为正磁阻(如图(a)和(b)所示)。当磁场方向平行于ab面时，观察到类似的磁化强度与磁阻现象(如图(c)和(d)所示)。

       这些结果说明随着磁场的增大，EuSn₂As₂经历了复杂的磁相变，从低磁场A型反铁磁态转变为倾斜的铁磁态，随着磁场的进一步增大最终转变为完全极化的铁磁态，这与MnBi₂Te₄家族的磁相变非常类似。这为理解EuSn₂As₂在高磁场下的磁结构以及电输运性质提供了实验基础，丰富了EuSn₂As₂的磁结构相图。此外，霍尔电阻测量还在磁相变临界磁场处观察到了反常的霍尔电阻现象，说明EuSn₂As₂内部局域磁有序与输运电子态之间的耦合是不可忽略的，这也为后续探索和调控量子反常霍尔效应等新奇量子现象提供了积极信号。

　　安徽大学与强磁场中心联合培养博士生李慧杰（导师为田明亮研究员）为本论文第一作者，安徽大学高文帅副教授、强磁场中心朱相德研究员为共同通讯作者。本研究工作得到了国家重点研发计划、大科学装置联合基金、国家自然科学基金和中科院青年创新促进会等基金的支持。

　　论文链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.104.054435 

　　　(a)和(b):磁场平行于c轴时，不同温度下的磁化强度曲线和磁阻曲线。

　　(c)和(d):温度为2K，磁场分别平行于c轴和ab面时的磁化强度曲线和磁阻曲线。