强关联和拓扑量子材料中电/磁结构的扫描探针显微镜学研究
量子材料一个独特之处是具有丰富的电子结构相图，相图展现了不同的电子态和磁性状态。量子材料中这些电子相的能量通常比较接近，从而导致相竞争。一个典型的例子是锰氧化物中的电子相分离：铁磁金属相和反铁磁绝缘相微观相共存。电子相分离是锰氧化物庞磁阻效应的物理基础。另一方面，许多宏观的电/磁现象都起源于电子态的某种实空间排列。比如，铁磁材料的磁滞回线是局域铁磁磁畴演化的宏观表现。量子霍尔效应的宏观输运表现（霍尔电阻量子化和纵向电阻为零）与绝缘体态和导电边界态的共存紧密相关。利用传统的宏观体测量手段，研究者只能推测存在某种电子态的实空间结构。而运用现代扫描成像手段，研究者已经可以直接看到这种实空间结构，并对其做定量化分析，甚至操控它。
在沈健教授课题组，我们运用多种扫描探针显微技术在从原子尺度到微米尺度的范围内可视化并且研究量子材料不同的电/磁结构。我们利用自旋极化的扫描隧道显微镜成像并且操控Fe/Ir(111)体系中的纳米磁斯格明子。我们使用磁力显微镜直接观察锰氧化物的电子相分离态，进而研究它随不同外场激励的演化。我们也利用磁力显微镜表征磁性拓扑材料的磁畴结构。在该材料中，磁性在决定体系拓扑性质中扮演重要角色。最近，我们配置了新的扫描探针系统-扫描微波阻抗显微镜，这使得我们可以在纳米尺度表征材料的局域电输运性质（电导率，介电系数）。我们利用扫描微波阻抗显微镜研究磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4，在偶数层MnBi2Te4薄片发现了一个时间反演对称破缺的量子自旋霍尔效应态。我们也利用扫描微波阻抗显微镜研究了一个经典体系V2O3中的金属-绝缘体相变。因为可以揭示量子材料某种宏观现象或者功能背后机理性的信息，前面提到的这些扫描探针显微技术极大增强了我们研究强关联和拓扑量子材料的能力。未来，我们希望将这些扫描探针技术更多地投入到对量子器件的研究，因为摩尔定律告诉我们，这些量子器件的尺寸终将进入纳米尺度。
参考文献：
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