近日，2007so太阳集团刘畅课题组与上海科技大学等单位合作，在二维拓扑反铁磁材料 MnBi₂Te₄ 中实现了对奈尔序（Néel order）的精确操控，并首次揭示了一种源于层间奇偶效应的巨交换偏置（giant exchange bias） 新机制。该研究成果以“Tailoring Néel Orders in Layered Topological Antiferromagnet MnBi₂Te₄”为题，发表于国际顶级期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters 135, 266704, 2025），刘畅副教授为本文共同通讯作者。

反铁磁材料因其对外磁场不敏感、响应速度快、抗干扰能力强等优势，已成为新一代自旋电子学器件的重要候选体系。然而，由于反铁磁体没有净磁矩，传统的磁测量手段难以探测其内部的磁序方向，尤其是两种能量简并的奈尔序。如何有效识别并操控这两种磁态，一直是该领域的重大挑战。MnBi₂Te₄是首个实验上确认的层状拓扑反铁磁绝缘体，其独特的A型反铁磁序（层内铁磁耦合、层间反铁磁耦合）使其展现出丰富的量子现象，如轴子绝缘体态和量子反常霍尔效应。更重要的是，它的磁性质表现出显著的层数奇偶依赖性：偶数层系统整体无净磁矩，而奇数层则保留净磁矩。这一特性为调控其拓扑物态提供了天然平台。刘畅课题组长期致力于磁性拓扑量子物态研究，近期在该体系物性调控方面取得一系列进展【Nat. Mater. 19, 522 (2020) & Nat. Commun. 15, 3399 (2024) & Nat. Commun. 16, 1727 (2025) & Nature 641, 70 (2025)】。

在这项工作中，研究团队基于前期发明的氧化铝（AlOₓ）封装技术，对MnBi₂Te₄薄片的表面进行修饰，从而调控其垂直磁各向异性（PMA）。理论计算表明，对于表面磁性增强或减弱的样品，在负场降为零场的过程中，偶数层会呈现相反的奈尔序，而奇数层的奈尔序保持不变。因此，在奇偶层边界处会出现两种不同的磁结构：一种形成180°的磁畴壁，另一种则呈现面内连续的自旋分布。在施加正场使奇数层发生磁翻转时，二者表现出完全不同的磁畴翻转行为。团队利用低温磁力显微镜，分别对未处理的和覆盖氧化铝的MnBi₂Te₄进行了成像。结果发现，覆盖氧化铝的样品中，5层结构的磁翻转从第5层和6层边界开始，矫顽场较低（约0.068 T）；而未处理的样品中，5层和6层同时翻转，矫顽场高出近一个数量级（约0.84 T）。该实验结果与理论预测高度一致，直接证实氧化铝可增强MnBi₂Te₄表面的磁各向异性。更重要的是，研究团队利用MnBi₂Te₄中奇偶层交替的台阶结构和边界磁性差异，设计出一种全新的交换偏置机制。实验发现在6层、7层和8层台阶结构的MnBi₂Te₄中，样品展现出高达0.4 T的交换偏置场，且该偏置场可通过周围偶数层的奈尔序进行调控，数值可由负经零变为正。这一机制源于横向奇偶界面，与传统铁磁/反铁磁纵向界面引起的交换偏置效应有本质区别。

图: (a)器件结构示意图。(b)氧化铝提升MnBi₂Te₄表面磁各向异性，增强量子反常霍尔效应。(c)理论计算表明表面磁性提高与降低，会在偶数层产生相反的奈尔序。(d) MnBi₂Te₄中奇偶边界导致的不同畴行为。

此项工作首次实现了对拓扑反铁磁体中奈尔序的主动调控，建立了“表面工程-各向异性调控-奈尔序操控-交换偏置设计”的完整范式。并指出其策略可推广至其他范德华反铁磁体系，具有广泛的普适性。该论文共同第一作者为上海科技大学物质公司2024级博士杨笑天、2023级博士陆畅以及2007so太阳集团博士王永谦，通讯作者为王文波教授与刘畅副教授。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科技新星等多项资助。

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https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/pjrh-bqjf