双表面AlOx封装MnBi2Te4中拓扑量子相的显著增强及其在自旋电子学中的应用

这篇研究报道了一种创新的蜡辅助剥离转移技术，成功制备了双表面AlOx封装的MnBi2Te4（MBT）异质结构。通过增强界面磁性和保护作用，该策略显著提升了MBT中拓扑量子相的输运性能：在偶数层器件中观察到鲁棒的轴子绝缘体态（axion insulator），奇数层器件则展现出具有大磁滞的量子反常霍尔效应（QAH）。研究为探索新型拓扑量子现象及自旋电子学应用提供了新范式。

　　

亮点

我们开发了一种蜡辅助剥离转移法，首次实现双表面AlO_x封装的MnBi₂Te₄（MBT）器件制备。这种"双面装甲"策略使拓扑量子相的性能产生飞跃：

• 偶数层魔法：6-SL器件中轴子绝缘体态（axion insulator）展现超宽零霍尔平台（|μ₀H| < 3.5 T）和高纵向电阻（≈15 h/e²），导电行为完美符合拓扑量子限域理论。

• 奇数层奇迹：7-SL器件的量子反常霍尔效应（QAH）出现锐利平台跃迁，磁滞回线宽度达1.8 T——比单面封装样品提升3倍！

结果

轴子绝缘体的完美呈现

在6-SL器件中，我们捕捉到教科书级的轴子绝缘体特征：低场反铁磁（AFM）态下，霍尔电导σ_yx严格为零，而纵向电导σ_xx随磁场呈"V"形演化。当磁场突破3.5 T时，系统突然跃迁到铁磁（FM）态，σ_yx跃升至量子化值e²/h，揭示出陈数为1的拓扑相变。

QAH效应的强化版本

7-SL器件中，AlO_x的"磁感增强"效应带来三大突破：

1. 零场霍尔电阻达25.8 kΩ（≈h/e²），比常规器件高20%

2. 临界温度提升至4.5 K，创下MBT体系纪录

3. 磁滞窗口拓宽至1.8 T，为自旋器件应用铺平道路

结论

这项研究不仅解决了MBT器件质量长期不稳定的难题，更开创了二维磁拓扑材料研究的新方法论。通过"蜡剥离+双面AlO_x装甲"的组合拳，我们为探索动态轴子准粒子、层量子霍尔效应等新奇现象提供了理想平台。该技术可推广至其他二维量子材料，助力下一代低能耗自旋电子器件开发。