内禀磁性拓扑绝缘体（TI）是一种具有内禀磁性有序性和拓扑电子态的化学计量磁性化合物。这样的材料可以提供一个捷径，各种新的拓扑量子效应，但仍然难以捉摸的实验至今。在这里，我们报告的实验实现高品质的薄膜的内禀磁性TI-MnBi $_2$ Te $_4$ -通过交替生长的Bi $_2$ Te $_3$五层和MnTe双层分子束外延。该材料在角分辨光电子能谱中显示出典型的狄拉克表面态，通过磁性和输运测量以及第一性原理计算，证明该材料是具有铁磁表面的反铁磁拓扑绝缘体.独特的磁性和拓扑电子结构及其相互作用使材料能够以良好的控制方式体现丰富的量子相，例如量子反常霍尔绝缘体和轴子绝缘体。
英文摘要：
Intrinsic magnetic topological insulator (TI) is a stoichiometric magnetic compound possessing both inherent magnetic order and topological electronic states. Such a material can provide a shortcut to various novel topological quantum effects but remains elusive experimentally so far. Here, we report the experimental realization of high-quality thin films of an intrinsic magnetic TI---MnBi$_2$Te$_4$---by alternate growth of a Bi$_2$Te$_3$ quintuple-layer and a MnTe bilayer with molecular beam epitaxy. The material shows the archetypical Dirac surface states in angle-resolved photoemission spectroscopy and is demonstrated to be an antiferromagnetic topological insulator with ferromagnetic surfaces by magnetic and transport measurements as well as first-principles calculations. The unique magnetic and topological electronic structures and their interplays enable the material to embody rich quantum phases such as quantum anomalous Hall insulators and axion insulators in a well-controlled way.
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。
Spectroscopic realization of large surface gap in a doped magnetic topological insulator
拓扑材料中量子反常霍尔效应和轴子电动力学的实现是凝聚态物理中的典型现象。最近，在MnBi $_2$ Te $_4$（一种化学计量的反铁磁拓扑绝缘体）薄膜中观察到这两种相的特征。在轴子绝缘体中的体拓扑磁电响应的直接证据需要在其拓扑表面态（TSS）的能隙。然而，独立的光谱实验表明，这样的表面间隙是不存在的，或比以前认为的小得多，在MnBi $_2$ Te $_4$。在这里，我们利用角分辨光电子能谱和密度泛函理论计算表明，一个相当大的TSS间隙出乎意料地存在于Sb掺杂的MnBi $_2$ Te $_4$。这个能隙是拓扑非平凡的，对体反铁磁-顺磁跃迁不敏感，而随着Sb浓度的增加而增大。我们的工作表明Mn（Bi $_{1-x}$ Sb $_x$）$_2$ Te $_4$是一个潜在的平台，可以用来观察高温轴子绝缘体态的关键特性，如拓扑磁电响应和半整数量子霍尔效应。
Toward the intrinsic limit of topological insulator Bi2Se3
结合高分辨率扫描隧道显微镜和第一性原理计算，我们确定了主要的本征缺陷，特别是Se空位和Se间隙缺陷，负责原型拓扑绝缘体Bi 2 Se 3的单晶体导电和纳米级电位波动。在这里，它是建立在Bi2Se3中的缺陷浓度远高于热力学极限，并且生长动力学主导所观察到的缺陷浓度。此外，通过仔细控制的合成，我们的隧道光谱表明，我们最好的样品接近本征极限的费米能级内的带隙，而不引入外来掺杂剂。
Spin scattering and noncollinear spin structure-induced intrinsic anomalous Hall effect in antiferromagnetic topological insulator $\mathrm{MnBi_2Te_4}$
Intrinsic spin Hall effect in topological insulators: A first-principles study
研究了典型拓扑绝缘体Sb $_2$ Se $_3$，Sb $_2$ Te $_3$，Bi $_2$ Se $_3$，和块体形式的Bi $_2$ Te $_3$，在最大定域Wannier基下，利用密度泛函理论和线性响应理论，从第一性原理计算了结果表明，在费米能级附近，存在一个100- 200（$\hbar$ /2 e）（S/cm）的有限自旋霍尔电导率。虽然所得值比重金属小一个数量级，但由于其相对较低的纵向电导率，它们显示出相当的自旋霍尔角。自旋霍尔角为不同的化合物，然后比较最近的实验拓扑绝缘体/铁磁体异质结构。的比较表明，在产生自旋电流，从而在磁化切换应用中的自旋扭矩的散装的作用是可比的表面，包括自旋动量锁定的表面状态和Rashba-Edelstein效应在界面处。
Realization of polytype heterostructures via delicate structural transitions from a doped-Mott insulator
School of Physics, Renmin University of China（中国人民大学物理学院）；Beijing Key Laboratory of Optoelectronic Functional Materials & Micro-nano Devices, School of Physics, Renmin University of China（中国人民大学物理学院光电功能材料与微纳器件北京市重点实验室）；Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院物理研究所）
在拓扑绝缘体中引入磁性破坏了时间反演对称性，并且磁交换相互作用可以在原本无间隙的拓扑表面状态中打开间隙。这允许产生各种新颖的拓扑量子态，包括量子反常霍尔效应（QAHE）和轴子绝缘体态。磁性掺杂和磁性邻近被认为是探索拓扑结构和磁性之间相互作用的有用手段。然而，磁性掺杂的不均匀性导致了复杂的磁有序和小的交换能隙，因此所观察到的QAHE仅在超低温下出现。因此，内禀磁性拓扑绝缘体对于提高QAHE的工作温度和进一步研究拓扑量子现象具有重要意义。这些系统的实现和表征对于基础物理学和潜在的技术革命都至关重要。综述了近年来内禀磁性拓扑绝缘体的研究进展，重点介绍了反铁磁拓扑绝缘体MnBi 2 Te 4及其系列材料。
Coexistence of Ferromagnetism and Topology by Charge Carrier Engineering in intrinsic magnetic topological insulator MnBi4Te7
本征磁性拓扑绝缘体（MTIs）MnBi 2 Te 4和MnBi 2 Te 4/（Bi 2 Te 3）n有望实现高温量子反常霍尔效应（QAHE）和无耗散电输运。人们在这一领域做了大量的工作，但仍然缺乏理想的具有铁磁（FM）基态磁有序的MTI候选物。在这里，我们展示了一个MTI样品的Mn（Bi 0.7Sb 0.3）4 Te 7，它持有的FM基态和拓扑非平凡的共存。利用原子力显微镜有序化技术，通过在MnBi_4 Te_7基体中引入Sb元素，实现了载流子工程化过程对磁性的显著调制。通过磁性测量和理论计算，系统地研究了Mn（Bi 1-xSbx）4 Te 7的磁性演化. x = 0.3的FM样品的清晰的拓扑表面态也被角分辨光电子能谱所证实。我们还知道，x = 0.3的FM样本接近电荷中性点。因此，本征FM-MTI的Mn（Bi_（0.7）Sb_（0.3））_4 Te_7在本工作中的演示为QAHE实现和优化的进一步研究提供了启发。
X-ray diffraction tools for structural modeling of epitaxic films of an intrinsic antiferromagnetic topological insulator
新材料的合成需要适合于每个系统的特殊性的结构分析工具。范德华（vdW）材料是自旋电子学和量子信息处理的新兴技术的基础，特别是拓扑绝缘体，以及最近允许对非平凡电子能带拓扑和磁性的组合进行唯象探索的材料。原子层之间的弱vdW力引起组成波动和结构无序，即使在典型的二元拓扑绝缘体如Bi 2 Te 3中也难以控制。在MnBi2Te4中添加第三种元素使得这些材料的外延更加混乱。在这项工作中，统计模型结构的薄膜在单晶衬底上进行了描述。它允许在无序异质结构中模拟X射线衍射，这是控制这些材料的外延生长的必要步骤。此外，本文所述的衍射模拟方法可作为一种通用工具，应用于基于不同元素的vdW键合层堆叠的新材料设计领域。
Intrinsic and extrinsic perturbations on the topological insulator Bi2Se3 surface states
利用密度泛函电子结构方法，研究了本征和非本征扰动对强拓扑绝缘体Bi $_2$ Se $_3$表面态Dirac锥的影响.我们认为原子弛豫，薄膜厚度作为内在和界面薄介电膜作为一个外在的源扰动的表面状态。我们发现原子弛豫对狄拉克锥的简并度没有影响，而薄膜厚度对表面态有相当大的影响，诱导一个间隙，随着薄膜厚度的减小而单调增加。我们认为两个绝缘基板BN和石英作为介电薄膜，并表明，表面终端石英钝化或不钝化起着至关重要的作用，在维护狄拉克锥简并，而BN是更惰性的TI表面状态。用一种简单的算法计算出相对于体原子的相对轨道贡献，并在此基础上证明了自旋-轨道耦合打开时体原子能带的反转.表面态的层投影电荷密度分布表明，这些态并不严格局限于表面.这些态的空间限制扩展到两到三个五重层，一个五重层由Bi和Se的五个原子层组成
Intrinsic magnetic topological insulator phases in the Sb doped MnBi2Te4 bulks and thin flakes
磁性拓扑绝缘体（MTIs）提供了拓扑非平凡特性和磁序的组合，并在潜在的有趣的物理现象方面显示出希望，例如量子反常霍尔（QAH）效应和拓扑轴子绝缘态。然而，由于缺乏合适的MTIs候选物，对其性质和潜在应用的理解受到限制。在这里，我们生长的二维单晶Mn（SbxBi（1-x））2 Te 4散装和剥离成薄片，以寻找内在的MTIs。我们进行角分辨光电子能谱，低温输运测量，和第一性原理计算调查的能带结构，输运性质和磁性的这一系列材料，以及它们的拓扑性质的演变。我们发现在Mn（SbxBi（1-x））2 Te 4相图中存在一个优化的MTI区，该区域可能存在高温QAH相，为新的器件应用提供了一个有前途的途径。
Visualizing the interplay of Dirac mass gap and magnetism at nanoscale in intrinsic magnetic topological insulators
在内禀磁性拓扑绝缘体中，狄拉克表面态能隙是量子反常霍尔态和轴子绝缘态的先决条件。然而，要在非纳米比亚实验性的基础上确定这些差距，已证明是一项挑战。在这里，我们使用分子束外延生长本征MnBi_2 Te_4薄膜。使用扫描隧道显微镜/光谱，我们直接可视化狄拉克质量间隙和它的消失低于和高于磁序温度。我们进一步揭示了狄拉克质量间隙和局部磁缺陷的相互作用。我们发现，在高缺陷区，狄拉克质量间隙崩溃。从头算和耦合狄拉克锥模型计算提供了深入了解缺陷密度和空间间隙变化之间的相关性的微观起源。该工作提供了明确的识别的狄拉克质量间隙在MnBi 2 Te 4，并通过揭示其间隙变化的微观起源，建立了一个材料设计原则，实现奇异态的内禀磁性拓扑绝缘体。
Realization of quantum spin Hall insulator superlattice with emergent multigap-like helical edge states
Beijing National Center for Condensed Matter Physics and Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院北京凝聚态物理国家研究中心与物理研究所）；School of Physical Sciences, University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学物理科学学院）；School of Science, Jiangsu University of Science and Technology（江苏科技大学理学院）；School of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学物理与天文学院）；Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院高能物理研究所）；Department of Physics, Hubei University（湖北大学物理系）；New Cornerstone Science Laboratory（新基石科学实验室）；Department of Physics, The University of Hong Kong（香港大学物理系）；Department of Physics, Southern University of Science and Technology（南方科技大学物理系）
Tuning and Stabilizing Topological Insulator Bi2Se3 in the Intrinsic Regime by Charge Extraction with Organic Overlayers
在这项工作中，我们使用的电荷提取通过有机覆盖层沉积，以降低化学势的拓扑绝缘体Bi 2 Se 3薄膜的本征（体绝缘）制度。我们证明了本征拓扑绝缘体的调谐和稳定在高迁移率与低成本的有机薄膜。在有机电荷提取层四氰基醌二甲烷（F4 TCNQ）或三（乙酰丙酮）钴（III）（Co（acac）3）的保护下，样品在四个月后在化学势高于狄拉克点约135 meV（低于导带最小值85 meV，完全在拓扑绝缘体范围内）的气氛中稳定，这是非常高水平的环境稳定性。Co络合物代表了有机金属用于调制TI电荷密度的第一用途。表面态电子的迁移率提高到~2000 cm 2/Vs。即使在室温下，也实现了真正的拓扑绝缘状态，并在暴露于大气中的数月内保持稳定。
Measurement of intrinsic Dirac fermion cooling on the surface of a topological insulator Bi$_2$Se$_3$ using time- and angle-resolved photoemission spectroscopy
我们进行时间和角度分辨的光电子能谱的原型拓扑绝缘体Bi $_2$ Se $_3$的表面和体电子光激发后的超快动力学研究。通过分析表面态和体能带谱的演化，分别得到了它们的电子温度和化学势弛豫动力学。这些动力学揭示了强声子辅助的表面-体耦合在高晶格温度和总抑制在低晶格温度的表面和体之间的非弹性散射。在这个低温制度下，独特的冷却狄拉克费米子在TI的声学声子表现出通过幂律依赖的表面温度衰减速率载流子密度。
Discovery of Higher-Order Topological Insulators using the Spin Hall Conductivity as a Topology Signature
拓扑绝缘体是一种当$d$维绝缘体被限制在（$d-1$）维时具有金属边界态的物质相，它的发现和实现导致了几个潜在的应用。最近，它表明，受保护的拓扑状态可以表现在（$d-2$）维，如铰链和角状态的三维和二维系统，分别。这些非平凡的材料被称为高阶拓扑绝缘体（HOTI）。在这里，我们使用{ \it ab initio}计算和紧束缚模型的组合显示自旋霍尔效应和HOTI之间的连接。该模型演示了如何在HOTI相内出现非零的体中隙自旋霍尔电导率（SHC）。在此之后，我们进行了高通量密度泛函理论计算，以找到未知的HOTI，使用SHC作为标准。我们计算了693个绝缘体的SHC，得到7个稳定的二维HOTI。我们的工作指导新的实验和理论的进展高阶拓扑绝缘体的实现和应用。
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。
Realization of Kane-Mele Model in $\pmb X\bf{N_4}$-Embedded Graphene ($\pmb X$=Pt, Ir, Rh, Os)
嵌入有过渡金属氮化物的单层石墨烯（即，$X$ N $_4$），其中过渡金属原子与四个氮原子一起作为单元嵌入石墨烯中以形成稳定的平面单原子厚度结构。我们利用第一性原理计算和紧束缚模型对这些$X$ N $_4$嵌入石墨烯的结构、电子和拓扑性质进行了系统的研究。我们发现$X$ N $_4$嵌入的石墨烯（$X$ =Pt，Ir，Rh，Os）可以打开容纳\emph{two-dimensional} $\mathbb{Z}_2$拓扑绝缘体的拓扑非平凡带隙。我们进一步表明，带隙附近的低能带可以被一个修改的凯恩-梅勒模型哈密顿量完美地捕获。我们的工作不仅提供了实现\emph{two-dimensional} $\mathbb{Z}_2$拓扑绝缘体的非常罕见的具体二维材料，而且使石墨烯体系在承载Kane-Mele型$\mathbb{Z}_2$拓扑绝缘体方面成为现实。
Mapping the Dirac fermions in intrinsic antiferromagnetic topological insulators (MnBi$_2$Te$_4$)(Bi$_2$Te$_3$)$_n$ (n=0, 1)
在MnBi $_2$ Te $_4$（Bi $_2$ Te $_3$）$_n$化合物中，具有内禀磁有序的拓扑表面态被预测为包含丰富的拓扑现象，包括量子化的反常霍尔效应和轴子绝缘体态.在这里，我们使用扫描隧道显微镜成像的表面狄拉克费米子在MnBi $_2$ Te $_4$和MnBi $_4$ Te $_7$。我们通过远高于Dirac能量的准粒子干涉图样确定了表面态的能量色散和螺旋自旋织构，证实了其拓扑性质。接近狄拉克点，在MnBi $_2$ Te $_4$七重层中的本征缺陷引起共振状态，其在空间上延伸并且潜在地阻碍光谱中的质量间隙的检测。我们的研究结果表明，调节缺陷是必不可少的，以实现奇异的拓扑状态，在这些化合物在较高的温度。
