拓扑绝缘体表面上铁磁性薄膜的制备及其生长界面新奇电子状态的研究

In this project wesynthesize ferromagnetic films by molecular-beam-epitaxy method on topological insulator surface and investigate the electronic states at the interface between topological insulator and ferromagnetic film to study the evolution of the novel topological electronic states with a broken time-reversal-symmetry. In order to realize film with high quality and ferromagnetism grown on topological insulator surface, our research will be conducted on various kinds of topological insulators. We investigate the growth mode and quality of the magnetic film by in-situ scanning tunneling microscopy and angle-resolved photoemission spectroscopy in order to optimize the growth condition. The long-range ordered ferromagnetism will be induced into the film and thus at the interface based on Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida（RKKY） mechanism by fine tuning of the carrier type and intensity of the substrate topological insulator. We use x-ray magnetic circular dichrorism to investigate the magnetic properties including the magnetic anisotropy to ensure the condition of breaking time-reversal-symmetry. Finally, we directly observe the evolution of the novel topological electronic states at the interface between topological insulator and ferromagnetic film by means of low energy photon exited spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy with largely enhanced probing depth. This research provides a complete understanding of topological states at the interface in the condition of broken time-reversal symmetry.

本课题将使用分子束外延生长方式在拓扑绝缘体表面生长3d过渡金属元素的铁磁性薄膜，并进一步研究拓扑绝缘体与铁磁性薄膜外延生长界面的自旋极化拓扑电子状态在时间反演对称性被打破时的演化。为了制备高质量的薄膜，并实现铁磁性秩序的导入，本研究课题将探索使用多种不同类型拓扑绝缘体作为生长磁性薄膜的衬底，同时通过对拓扑绝缘体表面的载流子类型和浓度的调控，实现基于Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida（RKKY）相互作用机理的铁磁性秩序。我们将使用原位扫描隧道显微镜和角度分辨光电子谱对薄膜的生长模式以及质量进行研究和表征，优化磁性薄膜的生长条件。进而通过x光磁性圆二色性谱研究薄膜的磁性性质包括磁性各向异性。最后我们将使用具有高探测深度的低能量光子角度自旋分辨光电子能谱对界面的电子状态进行直接观测，从而系统地研究薄膜的磁性特征对拓扑绝缘体与磁性薄膜界面处的新奇电子状态的影响。

拓扑绝缘体是近几年在凝聚态物理领域中出现的一种新奇量子材料，在拓扑绝缘体中引入铁磁性秩序可以导致时间反演对称性的破缺，从而实现无能量耗散的量子反常霍尔效应的输运现象。本课题探索在拓扑绝缘体材料引入铁磁性秩序，并对利用多种实验手段对磁性掺杂的拓扑绝缘体的微观电子结构和原子结构进行表征和研究。在本课题的研究工作中，我们系统地对三维拓扑绝缘体Bi2Se3中掺杂的3d过渡金属元素的占位以及与相邻原子的键长进行了观测，为建立准确而且精细的磁性三维拓扑绝缘体的晶体模型提供了最直接的证据， 为揭示拓扑绝缘体中磁性形成的机理提供了重要的线索。我们还将进一步对量子反常霍尔材料体系Cr-(Sb,Bi)2Te3进行了研究。通过X射线吸收精细结构谱（EXAFS）手段揭示了通过Bi掺杂浓度对磁性转变温度的调控机制；通过X射线磁圆二色性能谱对该体系进行了元素分辨的磁性测量，首次发现了母相晶体中非磁性元素Sb和Te由于电子轨道的杂化效应，也具备了铁磁性质。更为重要的是，正是母相晶体中的Sb和Te的p轨道磁矩为形成长程铁磁性秩序提供了不可或缺的媒介作用，从而为量子反常霍尔效应的实现提供了必要的条件。该项研究成果揭示了拓扑绝缘体中本征铁磁性的形成机理，为设计和制备具有更高转变温度的新型量子反常霍尔材料提供了有力的依据。