撰稿 / 張鳳吟 (科學推展中心特約編輯)
表1、 2-SL MBT三個可能磁相– 反鐵磁、傾斜反鐵磁、鐵磁磁振子模態(ω L，ω H)，所相應的對稱操作(反轉I、時間反轉T、旋轉C)的不變性。
近年來，凡德瓦(van der Waals，vdW)磁性材料的出現，為探索接近真實二維極限下的系統的長程磁有序，提供了豐富的可能性。凡德瓦材料，是二維材料以層間凡德瓦力為束縛，相互堆疊而成的塊材。在1966年Mermin 與 Wagner曾預言，有限溫度下，均向作用的二維材料會因熱漲落(fluctuations) 破壞自旋耦合，而無法產生長程的磁有序。不過證據顯示，具高度異向性的vdW磁鐵，可測得長程磁有序的存在。材料的磁性來自於電子的自旋和軌道角動量，當磁有序材料(如鐵磁與反鐵磁)從基態進入低能量激發態，反向的自旋角動量因耦合作用，將分配到鄰近原子的自旋角動量，進而傳遞到整個材料，這個集體的自旋激發稱為自旋波(spin wave)，其量子化稱為磁振子(magnon)。因此，從磁振子的偵測便可作為長程磁有序存在的指標。中研院物理所李尚凡研究員、張存均博士與德州奧斯汀大學李曉勤教授等人，利用拉曼光譜的方法，成功觀察到原子厚磁性拓樸材料MnBi2Te4在垂直外加磁場下，從反鐵磁轉變到鐵磁狀態的磁振子，以及磁漲落對厚度的關係，其成果發表於《自然通訊》[1]。
MnBi2Te4 (MBT)是第一個人工合成，同時具有電子拓墣性質及固有(intrinsic)磁有序的材料，在此之前，拓樸材料只能透過摻雜的方式誘發出磁有序。MBT每個單層包含7個原子層，形成Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te 排序的7重層(septuple layer，SL)，其中電子拓樸性質主要來自鉍 (Bi)與碲(Te)，而磁有序由錳(Mn)離子層提供，磁性與電子拓樸之間的作用被證明與厚度(層數)相關。在低溫時，錳磁矩於SL層內為鐵磁耦合，但對SL層間為反鐵磁耦合，使得偶數層SL樣品的淨磁矩消失。合作團隊的研究專注於雙SL MBT，因為這是能展現三個可能磁相：反鐵磁(antiferromagnetic，AFM)、傾斜反鐵磁(canted-AFM，c-AFM)、鐵磁(ferromagnetic，FM)，最薄的樣品。
由於2-SL MBT一個磁單元格包含兩個錳原子，因此存在兩種磁振子模態。團隊從晶格對稱、磁有序，輔以自旋波理論的計算，建立相應於不同磁相之磁振子模態的拉曼選擇律。表1為三種可能磁相(AFM、c-AFM、FM)的磁振子模態，及其在獨特對稱操作下的不變性。鐵磁相是最簡單的例子，兩種模態(高頻與低頻)只有高頻分支在反轉操作下不變，預期可在拉曼光譜co-circular polarization configuration (入射光子與散射光子有相同螺旋度)中看到。在反鐵磁相，各層磁振子以不同振幅振盪，因此違反反轉對稱，但結合反轉、時間反轉與x-軸旋轉操作後不變，預期會在cross- polarization configuration看到這些磁振子。在傾斜反鐵磁相，磁振子在結合 y-軸旋轉與時間反轉的對稱操作下不變，但低頻分支的頻率在Brillouin區中心消失，因而無法從拉曼光譜看到，只有高頻分支在co-circular polarization看到。結合以上選擇律與能量尺度，可給予辨識不同磁相磁振子模態的指引 (僅應用於單磁振子散射)。
團隊的結果如圖1。圖1為2-SL MBT在溫度12K對不同外加磁場強度於co-circular configuration的拉曼光譜。結果顯示，在零磁場與有限磁場、及所有三個磁相下，都觀測到長波長的磁振子模態，揭示雙層MBT長程磁有序的形成。檢查模態頻率與磁場的關係 (圖1b)，斜率的不連續顯示磁有序的相變，而c-AFM與FM與磁場有線性關係。AFM模態對外加磁場無相依性，且不遵守如圖1的選擇律，團隊表示這歸因於雙磁振子散射的結果。團隊從自旋波理論，擬合實驗結果，得到零磁場的自旋能隙 ~ 0.2meV、異向性能量 ~ -0.02meV及層間交換耦合能 ~ -0.14meV。
圖1、(a) 2-SL MBT磁振子在溫度12K的拉曼光譜(co-circular polarization) 與磁場的關係，圖中P代表聲子，M代表磁振子。(b)聲子(黑)與磁振子模態中心頻率對磁場的變化，陰影處以上為實驗偵測範圍。
在上述測量的拉曼光譜中，都去除掉準彈性散射(quasi-elastic scattering，QES)的背景，而這個訊號可用來量化MBT的磁漲落。由於和晶格的耦合，磁漲落在越高的溫度越強。團隊利用不同厚度的樣品在室溫進行拉曼測量，得到磁漲落在愈薄的樣品(接近二維極限)愈強的結論。
近期掃描穿隧顯微鏡的實驗表明了MBT在原子尺度表面的電子結構漲落，雖然可能跟無序相關，但還沒經過良好控制來實現有趣的量子現象。團隊表示，他們的研究已先進行超薄MBT的磁有序探討，他們的發現可為未來電磁耦合集體激發的研究與尋找奇異量子現象提供指引。
參考文獻
[1] Lujan, D., Choe, J., Rodriguez-Vega, M. et al. Magnons and magnetic fluctuations in atomically thin MnBi2Te4. Nat Commun 13, 2527 (2022).
