二维拓扑 Axion 反铁磁体中的层霍尔效应

虽然铁磁体在数千年来已被认知和利用，反铁磁体（AFM）直到 1930 年代才被发现。其难以捉摸的性质表明了 AFM 的独特属性：在宏观尺度上，由于不存在全局磁化，AFM 可能表现得像任何非磁性材料；然而，这种看似平凡的宏观磁性在微观层面却高度不平凡，其中 AFM 原胞内相反的自旋排列形成了丰富的内部结构。在拓扑 AFM 中，这种内部结构带来了新的可能性，其中拓扑与 Berry 相位可获得不同的空间织构。在此，我们在一个 AFM Axion 绝缘体、偶数层 MnBi$_2$Te$_4$ 薄片中研究这一令人兴奋的可能性，其中空间自由度对应于不同层。值得注意的是，我们报道了一种新型霍尔效应——层霍尔效应的观测，其中来自顶层和底层的电子自发地向相反方向偏转。具体而言，在无净电场下，偶数层 MnBi$_2$Te$_4$ 不显示反常霍尔效应（AHE）；然而，施加电场可隔离来自一层的响应，并导致出现令人惊讶的大层极化 AHE（约 50%$\frac{e^2}{h}$）。这种层霍尔效应揭示了一种极罕见的层锁定 Berry 曲率，其作为时空 $\mathcal{PT}$ 对称 AFM 拓扑绝缘体态的独特特征。此外，我们发现层锁定 Berry 曲率可由 Axion 场 E$\cdot$B 调控，其驱动系统在相反的 AFM 态之间转换。我们的结果实现了此前不可用的路径，以检测并操控完全补偿拓扑 AFM 的丰富内部空间结构。层锁定 Berry 曲率代表了 Berry 相位空间工程（例如通过层特异性 moiré 势）的第一步。