Dual nature of magnetic dopants and competing trends in topological insulators
Paolo Sessi, Rudro Biswas, Thomas Bathon, Oliver Storz, Stefan Wilfert, Alessandro Barla, Konstantin Kokh, Oleg Tereshchenko, Kai Fauth, Matthias Bode, Alexander Balatsky
Topological insulators interacting with magnetic impurities have been reported to host several unconventional effects. These phenomena are described within the framework of gapping Dirac quasiparticles due to broken time-reversal symmetry. However, the overwhelming majority of studies demonstrate the presence of a finite density of states near the Dirac point even once Topological insulators become magnetic. Here, we map the response of topological states to magnetic impurities at the atomic scale. We demonstrate that magnetic order and gapless states can coexist. We show how this is the result of the delicate balance between two opposite trends, i.e. gap opening and emergence of a Dirac node impurity band, both induced by the magnetic dopants. Our results evidence a more intricate and rich scenario with respect to the once generally assumed, showing how different electronic and magnetic states may be generated and controlled in this fascinating class of materials.
Electronic Fingerprints of Cr and V Dopants in Topological Insulator Sb2Te3
利用扫描隧道显微镜/光谱和第一性原理计算，系统研究了拓扑绝缘体（TI）Sb 2 Te 3中磁性掺杂V和Cr的局域电子态.光谱成像显示不同的Cr和V之间的局部缺陷状态，这与我们的第一原理计算。V和Cr掺杂的独特光谱特征为具有增强的量子反常霍尔效应的共掺杂磁性TI样品提供了电子指纹。我们的研究结果也有利于探索的潜在机制增强的量子反常霍尔温度的Cr/V共掺杂TI。
对主体材料中单个掺杂剂原子的作用的详细理解对于半导体工业中的持续小型化至关重要，因为电子的局部充电和捕获可以完全改变器件的行为。类似地，由于掺杂剂可以将莫特绝缘体转变为高温超导体，因此它们在原子尺度上的电子行为非常令人感兴趣。由于传统的扫描隧道显微镜的时间分辨率有限，在这些系统中的大多数原子尺度的研究集中在掺杂剂对电子结构的时间平均效应。在这里，通过使用原子尺度的散粒噪声测量在掺杂的莫特绝缘体Bi $_{2}$ Sr $_{2}$ CaCu $_{2}$ O $_{8+x}$，我们可视化亚纳米尺寸的对象，其中显着的动态导致增强的隧穿电流噪声至少一个数量级。从位置，电流和能量的依赖性，我们认为，这些缺陷是氧掺杂剂原子，在以前的扫描探针的研究，其局部环境导致电荷动态，强烈影响隧道机制中未考虑。这些掺杂剂的非常规行为开辟了在原子尺度上动态控制掺杂的可能性，使得能够直接可视化局部充电对例如高T $_{\text{c}}$超导性的影响。
Gate-tunable anomalous Hall effect in stacked van der Waals ferromagnetic insulator - topological insulator heterostructures
新的拓扑相，如量子反常霍尔绝缘体（QAHI）或轴子绝缘体的搜索，激发了不同的方案，将磁性引入拓扑绝缘体。一种方案是在拓扑绝缘体中引入铁磁掺杂剂。然而，这通常是具有挑战性的，并且需要仔细设计的生长/异质结构或相对较低的温度来观察QAHI，这是由于诸如铁磁掺杂剂增加的无序等问题。另一个有前途的方案是利用磁性绝缘体的磁邻近效应来磁化拓扑绝缘体。迄今为止，这些异质结构中的大多数是通过诸如分子束外延和金属有机化学气相沉积的生长技术合成的。由于生长条件和晶格失配的差异，这些不容易适用于允许混合和匹配许多可用的铁磁和拓扑绝缘体。在这里，我们证明了磁性邻近效应仍然可以通过干燥转移的剥离微米大小的薄片的范德华拓扑绝缘体和磁性绝缘体材料（BiSbTeSe 2/Cr2 Ge 2 Te 6）组装在堆叠的异质结构中获得，证明了在一个异常的霍尔效应（AHE）的观察。此外，当通过静电门控控制载流子密度时，由这些异质结构制成的器件可以允许AHE的调制。这些结果表明，磁性范德华材料的简单机械转移提供了另一种可能的途径，磁化拓扑绝缘体的磁邻近效应，一个关键的一步，进一步实现新的拓扑相，如QAHI和轴子绝缘体。
Influence of magnetic disorders on Quantum Anomalous Hall Effect in Magnetic Topological Insulator Films beyond the two-dimensional limit
在磁性掺杂（Bi，Sb）2 Te 3上制备的磁性拓扑绝缘体（MTI）薄膜中，实验上实现了量子反常霍尔效应（QAHE）。在具有沿法线方向（z方向）的易磁化轴的MTI薄膜中，磁性掺杂剂的取向围绕易磁化轴随机分布，充当磁性紊乱。借助于非平衡格林函数和Landauer-Buttiker形式，我们数值研究了磁无序对MTI薄膜QAHE的影响.研究发现，由于无带隙侧表面态的存在，只要所有磁性掺杂剂的磁矩的z分量为正，QAHE即使在磁无序的情况下也能得到保护.更重要的是，这种磁无序还抑制了手性边缘态的耗散，提高了MTI薄膜中QAHE的质量。此外，磁无序的影响很大程度上取决于薄膜的厚度，并在一定的厚度达到最佳的影响。这些发现是QAHE在三维系统中的新特征，而不是在二维系统中。
Magnetic properties of Mn-doped Bi$_2$Se$_3$ topological insulators: ab initio calculations
用磁性离子掺杂Bi $_2$ Se $_3$代表了一个有趣的问题，因为它可能破坏维持拓扑绝缘体特性所需的时间反演对称性。Bi $_2$ Se $_3$中的Mn掺杂剂代表这里研究最多的实例之一。然而，关于它们的磁性排序还有很多悬而未决的问题。在实验文献中，不同的居里温度或没有铁磁顺序在所有报告可比的锰浓度。这表明磁有序现象是复杂的，并且对不同的生长参数非常敏感，这些参数已知会影响材料缺陷浓度。到目前为止，理论集中在Mn掺杂剂在一个可能的位置，并忽略了弛豫效应以及本征缺陷。我们用从头算方法计算了磁性Mn掺杂对Bi $_2$ Se $_3$电子结构的影响，以及它们之间的交换作用。我们已经考虑了两种可能的Mn位置，替代和间隙的，也原生缺陷。我们发现锰周围的原子有相当大的弛豫，这显着影响磁相互作用。令人惊讶的是，非常强的相互作用强相互作用对应于由范德华能隙隔开的Mn原子的特定位置。基于计算的数据，我们进行了自旋动力学模拟，系统地研究了不同缺陷含量的磁序。我们已经发现，在何种条件下，实验测得的居里温度${T_{\rm{C}}}$可以重现，注意到，间隙锰原子似乎是很重要的。我们的理论预言了${T_{\rm{C}}}$随费米能级的移动而变化，这为通过选择性掺杂来调节系统的磁性开辟了道路。
Large Chern Number Quantum Anomalous Hall Effect In Thin-film Topological Crystalline Insulators
量子反常霍尔绝缘体是一种二维绝缘态，在没有外加磁场的情况下，表现出与量子霍尔态相似的性质。它们具有量子化的霍尔电导$σ^H=Ce^2/h$，其中整数$C$被称为陈数，并且表示无间隙边缘模式的数量。最近的实验表明，掺铬薄膜（Bi，Sb）$_2$ Te $_3$是一种QAH绝缘体，具有陈数$C=\pm1$。在这里，我们从理论上预测，薄膜拓扑晶体绝缘体（TCI）可以托管各种QAH相，当掺杂铁磁有序掺杂剂。$\pm4$之间的任何陈氏数原则上可以作为（a）取决于磁掺杂浓度的感应塞曼场，（b）固有的或由压电材料通过邻近效应感应的结构变形，以及（c）薄膜的厚度之间的相互作用的结果而达到。在TCI中发现的可调陈氏数在超低功耗信息处理应用中具有重要的潜力。
Hedgehog spin texture and competing orders associated with strains on the surface of a topological crystalline insulator
我们研究了Pb $_{1-x}$ Sn $_x$（Te，Se）拓扑晶体绝缘体（001）表面上的自旋重取向现象和相互作用驱动效应。我们的分析是基于一个四带$k\cdot p$模型，它捕获的自旋和轨道纹理的表面状态在低能量周围的$\bar{X}$和$\bar{Y}$点，包括Lifshitz转变。即使没有打破时间反演对称性，我们发现，某些应变，打破镜像对称性可以诱导刺猬状自旋织构与间隙形成的狄拉克点。带隙表面基态的陈数被证明是可调的，通过应变和垂直塞曼场的相互作用。我们还考虑了在驱动竞争订单的相互作用的存在下，应变的影响，并获得相关的相图在平均场水平。低功耗电子产品的潜在应用，我们的研究结果进行了讨论。
Site-polarized Mott phases competing with a correlated metal in twisted WSe$_2$
University of Hamburg（汉堡大学）；The Hamburg Centre for Ultrafast Imaging（汉堡超快成像中心）；University of Würzburg（维尔茨堡大学）；Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter（物质结构与动力学马普研究所）；RWTH Aachen University（亚琛工业大学）；Center for Computational Quantum Physics, Flatiron Institute（平顿研究所计算量子物理中心）；Tsientang Institute for Advanced Study, Zhejiang（浙江大学前沿技术研究院（紫江））；Songshan Lake Materials Laboratory（松山湖材料实验室）
Zero-field Edge Magnetoplasmons in a Magnetic Topological Insulator
将铁磁掺杂剂（例如铬或钒）掺杂到三维（3D）拓扑绝缘体（TI）（Bi，Sb）2 Te 3的薄膜中最近导致了量子反常霍尔效应（QAHE）的实现，这是量子物质的独特相。这些材料是非常令人感兴趣的，因为它们可以支持即使在零磁场下也经由边缘通道无阻力地流动的电流。到目前为止，QAHE已调查使用低频传输测量。然而，传输需要接触样品，并且由于存在经由本体或表面的平行导电路径，或者因为可能存在额外的非手性边缘通道，结果可能难以解释。在这里，我们超越运输测量探测的微波响应的磁化磁盘的Cr-（Bi，Sb）2 Te 3。我们确定与手性边缘磁等离子体（EMP），强大的边缘通道的签名，确实是固有的这种材料系统的功能。我们的研究结果提供了一个测量的边缘激励的速度，而不接触样品，并铺平了道路，一个新的，片上电路元件的实际重要性：TI，零场微波环行器。
Robust quantum anomalous Hall effect with spatially uncorrelated disorder
Imec；Peter Grünberg Institute (PGI-9), Forschungszentrum Jülich（于利希研究中心彼得·格林伯格研究所（PGI-9））；JARA-Fundamentals of Future Information Technology, Jülich-Aachen Research Alliance, Forschungszentrum Jülich and RWTH Aachen University（亚琛-于利希研究联盟JARA未来信息技术基础，于利希研究中心和亚琛工业大学）；Department of Physics, Georgetown University（乔治城大学物理系）
Thickness-Driven Quantum Anomalous Hall Phase Transition in Magnetic Topological Insulator Thin Films
磁性拓扑绝缘体（MTIs）中的量子化反常霍尔效应在拓扑量子物理和低功率电子学/自旋电子学应用中具有巨大的发展潜力。为了在零磁场下实现无耗散手性边缘传导，由对准的磁性掺杂剂产生的有效交换场需要足够大以产生特定的自旋子带配置。在这里，我们报告的厚度定制的量子反常霍尔（QAH）效应在铬掺杂（Bi，Sb）2 Te 3薄膜通过调整系统跨越二维（2D）的限制。除了与Chern数相关的金属-绝缘体QAH相变外，我们还证明了诱导杂化能隙在确定MTIs的基态中起着不可或缺的作用，即由于相当大的Van Vleck自旋磁化率而产生的自发磁化保证了厚样品中具有幺正标度律的零场QAH态，而在超薄膜中，霍尔电导的量子化只能借助于外磁场来实现。通过结构工程对拓扑和磁性的调制可以为追求基于QAH的新相图和功能提供有用的指导。
