On the basis of relativistic ab-initio calculations we show that the driving mechanism of simultaneous emergence of parabolic and M-shaped 2D electron gas (2DEG) bands at the surface of layered topological insulators as well as Rashba-splitting of the former states is an expansion of van der Waals (vdW) spacings caused by intercalation of metal atoms or residual gases. The expansion of vdW spacings and emergence of the 2DEG states localized in the (sub)surface region are also accompanied by a relocation of the topological surface state to the lower quintuple layers, that can explain the absence of interband scattering found experimentally.
First-principles prediction of a new family of layered topological insulators
研究了几十种层状V $_2$ IV $_2$ VI $_6$（V=P，As，Sb，Bi，IV=Si，Ge，Sn，Pb，VI=S，Se，Te）材料，其中几种已在实验中成功合成。其中，我们预测了9个强拓扑绝缘体（TI），2个强拓扑金属（TM）和近20个平凡绝缘体的平衡结构。的TI是在（1;111）拓扑类，具有从0.04到0.2 eV的范围内的能隙。强TM和平凡绝缘体分别属于（1;111）和（0;000）拓扑类。小的压缩应变很容易将一些不重要的绝缘体变成强的TI。该研究不仅丰富了拓扑材料家族，也丰富了范德华层状材料家族，为未来的自旋电子器件提供了有希望的候选材料。
Subtle metastability of the layered magnetic topological insulator MnBi2Te4 from weak interactions
亚稳态层状化合物MnBi 2 Te 4是第一个实验实现的本征反铁磁拓扑绝缘体，预测主机的量子反常霍尔效应在高温下剥离原子薄层。虽然它的磁有序和拓扑性质引起了人们的广泛兴趣，但其亚稳性背后的机制和理想的晶体合成条件仍然难以捉摸。在这里，使用一个组合的第一性原理为基础的方法，考虑晶格，电荷和自旋自由度，我们调查MnBi 2 Te 4的亚稳态通过计算的亥姆霍兹自由能的反应Bi 2 Te 3 + MnTe -> MnBi 2 Te 4。我们确定了一个狭窄的温度范围（767 K至873 K），在该范围内的化合物是稳定的相对于竞争的二元相，并成功地合成高品质的MnBi 2 Te 4单晶使用Bi-Te熔剂方法在此范围内。我们还预测了总比热的各种贡献，这与我们的实验测量结果是一致的。我们的研究结果表明，负责范德华相互作用，磁耦合，和非平凡的能带拓扑结构在层状材料的自由度不仅使紧急的现象，但也确定热力学稳定性。这一结论为今后新型层状体系的计算材料合成奠定了基础。
Pressure-induced spin reorientation transition in layered ferromagnetic insulator Cr2Ge2Te6
研究了层状铁磁绝缘体Cr2 Ge 2 Te 6（CGT）在2GPa静水压下的各向异性磁电阻效应。磁化的易磁化轴方向是从AMR饱和特征中推断的，在存在和不存在所施加的压力。在零施加压力下，易轴沿着c方向或垂直于层。在施加>1 GPa的流体静压时，单轴各向异性切换到易平面各向异性，这在零磁场下将平衡磁化从c轴驱动到ab平面，这相当于巨大的磁各向异性能量变化（>100%）。随着温度在居里温度范围内升高，AMR效应特征逐渐减小并消失。我们的第一性原理计算证实了巨大的磁各向异性能量的变化与中等压力，并分配其起源增加的离位自旋轨道相互作用的Te原子，由于较短的Cr-Te距离。这种压力诱导的自旋重取向转变在三维铁磁体中非常罕见，但它可能是与CGT具有类似晶体结构的其他层状铁磁体所共有的，因此提供了一种控制磁各向异性的独特方法。
2D layered transport properties from topological insulator Bi$_2$Se$_3$ single crystals and micro flakes
拓扑绝缘体如Bi $_2$ Se $_3$的低场磁输运测量对于通过对电导率的量子修正（如弱反局域化）来揭示拓扑表面态的性质是重要的。最近，各种各样的高场磁输运性能的制度，高电子密度（$\sim10^{19}$ cm $^{-3}$）的报道，这可能与额外的二维层状导电性，阻碍了识别的拓扑表面状态。在这里，我们报告的量子校正的电子传导占主导地位的表面状态的半导体的情况下，这可以分析的Hikami-Larkin-Nagaoka模型的两个耦合表面的情况下，强自旋轨道相互作用。然而，在类金属的情况下，这种分析失败，需要考虑额外的二维贡献。Shubnikov-de Haas振荡和量子化霍尔电阻证明是二维层状金属行为的强有力的迹象。高品质的Bi $_2$ Se $_3$单晶剥离的宏观和微观薄片的温度依赖性的磁输运性质相结合的高分辨率透射电子显微镜和能量色散X射线光谱，确认的结构和化学计量。角分辨光电子能谱证明了在拓扑绝缘态下，晶体具有单狄拉克锥表面态和定义明确的体带隙。空间分辨的核心水平的光电子显微镜证明了表面的稳定性。
Topological phase transition in layered magnetic compound MnSb2Te4: Spin-orbit coupling and interlayer coupling dependeces
基于第一性原理计算和理论分析，研究了层状磁性化合物MnSb 2 Te 4的电子结构、拓扑相变（TPT）和拓扑性质.它具有与磁性拓扑绝缘体MnBi 2 Te 4相似的晶体结构和磁性结构。我们发现，当考虑自旋轨道耦合（SOC）时，反铁磁（AFM）态的MnSb_2 Te_4的能带结构在Γ处没有带反转。这是由于Sb的SOC强度小于Bi。通过将Sb的SOC提高0.3倍可以实现能带反转，这使得MnSb 2 Te 4从普通的AFM绝缘体变为AFM拓扑绝缘体（TI）或轴子绝缘体。沿层堆叠方向的单轴压应变是控制能带反转的另一种方式。驱动类似的TPT需要将层间距缩短5%。对于具有实验晶体结构的铁磁（FM）MnSb_2Te_4，它是一个正常的FM绝缘体。当SOC增大0.1倍或层间距减小1%以上时，能带反转发生。因此，FM MnSb 2 Te 4可以被调谐为最简单的I型外尔半金属，在三重旋转轴上只有一对外尔节点。这两个Weyl节点被投影到（1-10）曲面上，并由一条费米弧连接。
Pressure-induced metal-insulator and spin-state transition in low-valence layered nickelates
从头计算预测，在零温度下的金属-绝缘体转变发生在La $_4$ Ni $_3$ O $_8$在中等压力下作为压力诱导的自旋态转变的结果。已经观察到在105 K在环境压力下从低温高自旋状态到高温低自旋状态的自旋状态转变随着压力的施加而向较低温度转移。从我们的计算中，我们发现，较小的晶胞体积有利于金属低自旋态，它变得更稳定，在5 GPa。类似的物理现象应该发生在相关化合物La $_3$ Ni $_2$ O $_6$中，但在不同的能量尺度上，这可能解释了为什么在这种材料中没有观察到跃迁。
Intrinsic magnetic topological insulators in van der Waals layered MnBi$_2$Te$_4$-family materials
磁性与拓扑学的相互作用是凝聚态物理和材料科学的重要研究课题，它为探索量子反常霍尔效应、轴子电动力学和马约拉纳费米子等新兴物理提供了巨大的机会。然而，由于缺乏合适的工作材料，这些奇异的物理效应在实验中很少实现。在这里，我们预测，范德华层状MnBi $_2$ Te $_4$ -家庭材料显示二维（2D）铁磁性在单层和三维（3D）$A$型反铁磁性在块体，这可以作为一个新一代的材料平台，为国家的最先进的研究。值得注意的是，我们预测非常丰富的拓扑量子效应与突出的功能，在实验可用的材料MnBi $_2$ Te $_4$，包括3D反铁磁拓扑绝缘体与长期寻求的拓扑轴子状态，II型磁性Weyl半金属（WSM）与简单的一对Weyl点，和高温本征QAH效应。这些惊人的预测，如果实验证明，可能会深刻地改变拓扑量子物理学的未来研究和技术。
Magnetic Properties and Electronic Structure of Magnetic Topological Insulator MnBi$_2$Se$_4$
本征磁性拓扑绝缘体MnBi $_2$ X $_4$（X = Se，Te）是实现各种与磁序对称性破缺相关的新型拓扑态的理想材料。虽然MnBi $_2$ Te $_4$的研究取得了很大进展，但由于所需三角相的材料合成困难，对MnBi $_2$ Se $_4$的研究一直很缺乏。在这里，我们报告的合成多层三角MnBi $_2$ Se $_4$与交替层分子束外延。原子分辨率扫描透射电子显微镜（STEM）和扫描隧道显微镜（STM）确定了一个有序的多层范德华（vdW）晶体与七层的基本单位在协议的三角结构。系统的厚度相关的磁力研究说明了层状反铁磁有序的理论预测。角分辨光电子能谱（ARPES）显示MnBi $_2$ Se $_4$的类Dirac-like表面态，表明MnBi $_2$ Se $_4$在磁有序温度以上是拓扑绝缘体.这些系统的研究表明，MnBi $_2$ Se $_4$是探索层状反铁磁拓扑绝缘体丰富拓扑相的一个有希望的候选者。
Monoclinic EuSn$_2$As$_2$: A Novel High-Pressure Network Structure
EuSn $_2$ As $_2$的层状晶体具有菱面体（$R\bar{3}m$）对称性的Bi $_2$ Te $_3$型结构，并且已被证实在环境条件下是内禀磁性拓扑绝缘体。结合{ \it ab initio}计算和\emph{in-situ} x射线衍射测量，我们确定了一个新的单斜EuSn $_2$ As $_2$结构，在$\sim$ 14 GPa以上具有$C2/m$对称性.它是由层状EuSn $_2$ As $_2$通过Sn-Sn原子和As-As原子在SnAs层间依次连接的两阶段重构机制转变而来的，由蜂窝状的Sn片和锯齿状的As链组成的三维网络结构。通过声子模分析验证了其结构的动态稳定性。电阻测量揭示了绝缘体-金属-超导体转变在低温下约5和15 GPa，分别根据结构转换，和超导性与\textit{T} ${\rm {_C}}$值为$\sim 4$ K观察到高达30.8 GPa。这些结果建立了一个高压EuSn $_2$ As $_2$相，具有有趣的结构和电子性质，并扩展了我们对层状磁性拓扑绝缘体的理解。
New Candidates for Topological Insulators : Pb-based chalcogenide series
在这里，我们从理论上预测，一系列的铅基层状硫族化合物，Pb $_n$ Bi $_2$ Se $_{n+3}$和Pb $_n$ Sb $_2$ Te $_{n+3}$，是可能的新的候选人的拓扑绝缘体。随着$n$的增加，发现从拓扑绝缘体到能带绝缘体的相变发生在$n=2$和3之间。值得注意的是，在新的拓扑绝缘体中，我们在PbBi $_2$ Se $_4$中发现了0.40 eV的体带隙，这是最大带隙拓扑绝缘体之一，并且Pb $_2$ Sb $_2$ Te $_5$位于拓扑相边界的紧邻处，使得其拓扑相容易通过改变外部参数（例如晶格常数）来调节。由于相边界处的三维狄拉克锥，在Pb $_2$ Sb $_2$ Te $_5$中也可以容易地获得无质量的狄拉克费米子。
Influence of magnetic ordering on the optical response of the antiferromagnetic topological insulator MnBi$_2$Te$_4$
层状拓扑绝缘体MnBi $_2$ Te $_4$由于其固有的反铁磁有序性，具有多种拓扑相，近年来引起了人们的极大兴趣.利用变温红外光谱研究了MnBi $_2$ Te $_4$在磁有序温度下的光学电导率变化。几个光学参数的温度依赖性揭示了异常的磁相变，这表明体电子能带结构和磁性之间的相关性。我们将我们的研究结果与最近的报道MnBi $_2$ Te $_4$的电子能带结构的温度依赖性。
Bulk Intergrowth of a Topological Insulator with a Room Temperature Ferromagnet
我们证明了层状室温铁磁体Fe 7 Se 8和拓扑绝缘体Bi 2 Se 3形成晶体取向的块状复合共生晶体。描述了共生体在实空间和倒易空间中的形态。重要的是，Bi2Se3和Fe7Se8的基面是平行的，因此保留了体相中固有的良好解理。这种共生是微米级的。共生晶体中的两个相都显示出它们固有的体性质：Fe7Se8的铁磁性是各向异性的，易磁化轴在晶体的平面内，并且ARPES表征表明Bi2Se3上仍然存在拓扑表面态。对于所谓的“Fe掺杂的Bi2Se3. "
Experimental Progress on Layered Topological Semimetals
本文综述了近年来层状拓扑材料的实验研究进展，重点介绍了过渡金属二硫属化合物的1 T、Td和1 T '结构相。它们的电子量子态非常丰富，而且许多都是拓扑非平凡的，如多层膜中的Dirac/Weyl半金属相和单层膜中的量子自旋Hall绝缘体相。内容涵盖了材料合成，基本表征，角分辨光电子能谱测量，传输和光学响应的最新主要进展。在此基础上，展望了拓扑物理与二维范德华层状异质结构的结合所带来的令人兴奋的未来可能性。
Magnetic-field-induced quantized anomalous Hall effect in intrinsic magnetic topological insulator MnBi$_2$Te$_4$
在磁性拓扑绝缘体中，非平凡能带拓扑与磁序合谋产生奇异的物质态，最好的例子是量子反常霍尔（QAH）绝缘体和轴子绝缘体。到目前为止，这种磁性拓扑绝缘体是通过在拓扑绝缘体中掺杂磁性原子而获得的。然而，无规磁性掺杂剂不可避免地引入阻碍材料中量子效应的进一步探索的无序。在这里，我们解决了这个困境，通过探测量子输运在MnBi $_2$ Te $_4$薄片-一个拓扑绝缘体与内禀磁秩序。在这种层状范德华晶体中，铁磁层彼此反平行耦合，因此MnBi $_2$ Te $_4$是反铁磁体。磁场，然而，对齐所有的层，并诱导层间铁磁秩序，我们发现，量子化的异常霍尔响应出现在原子薄的MnBi $_2$ Te $_4$在一个中等的磁场。因此，MnBi $_2$ Te $_4$成为第一个表现出量子化反常霍尔效应的本征磁性拓扑绝缘体。这一结果确立了MnBi $_2$ Te $_4$作为进一步探索各种拓扑现象的理想场所。
