Science Advances！无液氦超导磁体低温系统助力破解自旋手性可控难题，赋能低功耗自旋电子器件发展
发布日期：2026-03-04
上海科技大学信息科学与技术学院、拓扑物理实验室寇煦丰教授团队联合中国科学技术大学、牛津大学，在磁性拓扑绝缘体领域取得重大突破。团队通过精准调控 Mn (Bi₁₋ₓSbₓ)₂Te₄（MBST）材料中的锑（Sb）与铋（Bi）元素比例，实现了对磁输运特性的灵活调控，并依托无液氦超导磁体低温系统-TeslatronPT，完成了极端物理条件下微弱磁输运信号的精准磁电输运测量。相关成果以 “Tunable Chiral Magneto-Transport through Band Structure Engineering in Magnetic Topological Insulators Mn(Bi 1-x Sb x ) 2 Te 4” 为题，发表于知名学术期刊《Science Advances》。
无液氦超导磁体低温系统-TeslatronPT专为拓扑物理、低维材料、自旋电子学等前沿领域打造，凭借无液氦核心设计，彻底摆脱了稀缺制冷资源的进口依赖与使用限制，可稳定提供低至 1.5K 的极低温环境与高达 ±14T 的宽范围磁场输出，同时兼具低振动、无气流扰动的超高测量稳定性、±50mK 的精准控温能力，以及快速降温、低温原位换样的高效操作优势，有效解决了磁性拓扑绝缘体研究中微弱磁输运信号难捕捉、多组样品测试周期长、极端条件下数据重复性差等核心难题，为本次研究提供了极致稳定、高效可控的极端物理实验环境。
无液氦超导磁体低温系统-TeslatronPT
自旋轨道电子学是新一代低功耗电子器件的核心研究方向，而拓扑绝缘体凭借独特的自旋动量锁定机制，在自旋电流生成效率上远超传统重金属材料，被视为构建高能效器件的理想平台。贝里曲率（Berry curvature）和自旋纹理（spin texture）作为调控自旋轨道耦合效应的关键参数，其精准调控一直是该领域的研究难点。该研究通过能带工程聚焦磁输运特性的调控机制，为后续手性自旋轨道电子学器件研发提供了重要的理论依据与实验支撑。
研究团队采用分子束外延技术，在氧化铝衬底上成功生长出高质量的五层七元层 MBST 薄膜，并通过光刻与离子束刻蚀工艺制备出六端霍尔棒和交叉棒器件。针对 MBST 材料不同掺杂比例下的微弱磁电输运信号，团队依托无液氦超导磁体低温系统-TeslatronPT完整、精准地捕捉到了不同 Sb 掺杂比例下材料的磁阻、反常霍尔效应等关键信号，为后续的规律分析与理论验证提供了高可靠性的原始实验数据。
图 1 五组具有不同锑铋比的单层MBST的生长过程示意图
当 Sb 掺杂比例 x=0.35 时，材料带隙闭合后重新打开，发生从陈绝缘体（拓扑数 C=1）到普通绝缘体（C=0）的拓扑相变，这一转变源于 Sb 原子相对较弱的自旋轨道耦合作用；随着 Sb 含量继续增加，当 x>0.67 时，贝里曲率积分发生符号反转，导致反常霍尔电阻极性从负变正，同时层间反铁磁耦合逐渐弱化，饱和磁场呈单调下降趋势；而当 x>0.95 时，价带自旋分裂方向反向，引发自旋手性从逆时针向顺时针转变，进而导致二次谐波反常霍尔响应的极性改变。
图 2 在五个单层MnBi₁₋ₓSbₓTe 薄膜（x = 0.14、0.33、0.44、0.67、0.9）中测量的磁阻（MR）和反常霍尔效应（AHE）。（A）六端霍尔棒示意图：沿 x 和 y 轴的纵向霍尔电压（VXX）和横向霍尔电压（VXY）。电流沿 x 方向，磁场沿 z 方向。（B）温度为 1.6 K 时，与磁场相关的磁阻（MR）数据。随着锑（Sb）含量的增加，整体磁电阻曲线逐渐从反铁磁型的巨磁电阻线型，转变为类铁磁的双分裂蝶形线形状（插图）。（C）MBST（锰铋锑碲）样品的低温反常霍尔电阻。随着锑（Sb）浓度的增加，饱和场（Hₛ）依次降低，且当 x＞0.67 时，反常霍尔效应（AHE）的回线极性发生变化（插图）。在 MBT（锰铋碲）薄膜中观察到的混合反常霍尔效应，可能是由样品生长过程中形成的本征反位缺陷和 / 或随机堆叠顺序引起的。（D）五个单层MBST薄膜在饱和磁场（μ₀H = 8 T）下反常霍尔效应（AHE）电阻RSAHE和温度的依赖关系。当 Sb 组分 x≈0.67 时，RSAHE的符号由负变正（插图）；“TP” 代表转变点。（E）MBST 样品中载流子浓度随 Sb 含量 x 的变化关系。电荷中性点（CNP）位于 x≈0.14 处。（e）MBST（锰铋锑碲）样品中，载流子浓度随锑（Sb）含量 x 的变化关系。电荷中性点（CNP）位于 x≈0.14 处。
第一性原理计算与实验结果高度吻合，证实了 Sb 掺杂对材料能带结构的调控作用：不同 Sb 浓度下，贝里曲率的正负成分占比发生反转，主导着反常霍尔电导的极性；而自旋手性反转与表面电势梯度反向共同调控着二次谐波响应。
图 3 DFT能带计算：x = 0, 0.35 和 1 样品的电子能带结构展示了 MBST 系统中的拓扑相变。
该研究由上海科技大学寇煦丰教授、中国科学技术大学乔振华教授及牛津大学 Thorsten Hesjedal 教授共同指导，彭晨、黄濮阳、李泽宇为论文共同第一作者。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持。
