近年來，本征二維磁性拓撲絕緣體受到了廣泛的關注，特別是在錳鉍碲（MnBi2Te4）材料中觀測到了許多新奇量子現象，如陳絕緣體、軸子絕緣體等，為未來信息電子器件的設計提供了新的契機。相較MnBi2Te4材料，MnSb2Te4材料的制備窗口更大，此前研究發現Mn（錳）和Sb（銻）原子的替位濃度會隨著生長條件的不同而不同，進而改變材料的磁基態。因此，在二維極限下，揭示鐵磁和反鐵磁的MnSb2Te4材料在層數、溫度、外磁場參數空間下的磁狀態，對進一步開展其拓撲性質研究具有重要意義。

北京理工大學前沿交叉研究院黃元教授與北京大學物理學院葉堉研究員、中國人民大學物理系雷和暢教授等合作，首次開展了MnSb2Te4材料在二維極限下的研究。聯合研究團隊利用黃元教授近年來發展的獨特的解理方法分別對反鐵磁相和鐵磁相的塊材MnSb2Te4進行減薄，獲得不同層數的薄層樣品，并通過反射磁圓二向色性譜（RMCD）研究了樣品的磁演化。

在反鐵磁相研究中，1～9層樣品呈現典型的A型反鐵磁行為，體現出明顯的奇偶層數震蕩效應。在奇數層中，樣品因未補償的一層凈磁矩在零場附近出現遲滯回線，并隨磁場增加，除1層樣品外均經歷一次“自旋-翻轉”（spin-flop）過程，最后達到磁飽和態。而在偶數層中，因不再有未補償的凈磁矩，零場附近遲滯回線消失；在大于2層的樣品中，隨著磁場增大，會先經歷一次表面“自旋-翻轉”過程，達到一個共線的M2態（磁矩為2層MnSb2Te4的靜磁矩），也就是磁矩與外磁場反平行的表面層磁矩從與磁場反平行翻轉到了與磁場平行，之后，再經歷體“自旋-翻轉”過程，最后達到磁飽和態。聯合研究團隊通過一維線性鏈模型擬合實驗數據，獲得材料的各向異性能和層間相互作用能，從理論上得到了不同層數反鐵磁樣品的磁演化過程。并發現反鐵磁相MnSb2Te4的各項異性能與相互作用能的比值略大于MnBi2Te4中的該比值，解釋了在MnBi2Te4中沒有觀測到穩定M2態的原因，由此也為研究共線M2態下的量子輸運性質研究提供了一個材料體系。

在鐵磁相研究中，少層樣品的磁演化與層數之間沒有明顯的依賴關系。相比于厚層樣品，在少層樣品中觀察到更大的矯頑場，這可能是由磁各向異性能變大以及屏蔽作用的減小引起的。較大的各向異性能使得少層樣品在低于居里溫度的整個測量溫度范圍內一直保持單疇的行為；厚層樣品隨著溫度升高，單疇行為難以保持，會出現明顯的迷宮疇，在零場下測得疇的尺寸約為625 nm。

2022年1月3日，相關研究成果以“MnSb2Te4中層數依賴的反鐵磁和鐵磁行為”（Layer-Number-Dependent Antiferromagnetic and Ferromagnetic Behavior in MnSb2Te4）為題在線發表于國際頂級期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters，影響因子：9.161）；黃元、葉堉和雷和暢為共同通訊作者，合作者還包括北京理工大學劉立巍教授、王業亮教授，北京大學高鵬研究員、楊金波教授。

上述研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金以及北京大學電子顯微鏡實驗室等支持。

(關鍵字：錳 銻 碲)