Signature of band inversion in the antiferromagnetic phase of axion insulator candidate EuIn2As2
Takafumi Sato, Zhiwei Wang, Daichi Takane, Seigo Souma, Chaoxi Cui, Yongkai Li, Kosuke Nakayama, Tappei Kawakami, Yuya Kubota, Cephise Cacho, Timur K. Kim, Aria… 展开作者
Takafumi Sato, Zhiwei Wang, Daichi Takane, Seigo Souma, Chaoxi Cui, Yongkai Li, Kosuke Nakayama, Tappei Kawakami, Yuya Kubota, Cephise Cacho, Timur K. Kim, Arian Arab, Vladimir N. Strocov, Yugui Yao, Takashi Takahashi
We have performed angle-resolved photoemission spectroscopy on EuIn2As2 which is predicted to be an axion insulator in the antiferromagnetic state. By utilizing soft-x-ray and vacuum-ultraviolet photons, we revealed a three-dimensional hole pocket centered at the Gamma point of bulk Brillouin zone together with a heavily hole-doped surface state in the paramagnetic phase. Upon entering the antiferromagnetic phase, the band structure exhibits a marked reconstruction characterized by the emergence of a "M"-shaped bulk band near the Fermi level. The qualitative agreement with first-principles band-structure calculations suggests the occurrence of bulk-band inversion at the Gamma point in the antiferromagnetic phase. We suggest that EuIn2As2 provides a good opportunity to study the exotic quantum phases associated with possible axion-insulator phase.
Large dynamical axion field in topological antiferromagnetic insulator Mn$_2$Bi$_2$Te$_5$
动力学轴子场是一种新的量子物质状态，其磁电响应与低能磁涨落强烈耦合。它与具有静态量子化磁电响应的轴子绝缘体有着根本的不同。动力学轴子场表现出许多奇异现象，如轴子极化激元和轴子不稳定性。然而，由于缺乏合适的拓扑磁性材料，这些效应尚未得到实验证实。在这里，通过结合分析模型和第一性原理计算，我们预测了一系列的范德华层状Mn $_2$ Bi $_2$ Te $_5$相关的拓扑反铁磁材料可以托管长期寻求的动力学轴子场的拓扑起源。我们还证明了在接近拓扑相变的反铁磁绝缘态中可以获得大的动力学轴子场。我们进一步提出了光学和输运实验来检测这样的动力学轴子场。我们的结果可以直接帮助和促进在现实材料中寻找拓扑起源的大动力学轴子场。
Tunable dynamical magnetoelectric effect in antiferromagnetic topological insulator MnBi$_2$Te$_4$ films
40多年前，在粒子物理学中，为了解决强$\mathcal{CP}$（电荷共轭和宇称）难题，轴子被假定为具有低质量和弱相互作用的基本粒子。轴子也被认为是宇宙暗物质的可能组成部分。然而，自然界中轴子的存在尚未得到证实。有趣的是，轴子是从凝聚态物理中的陈-西蒙斯理论衍生出来的赝标量场。在反铁磁绝缘体中，自旋波激发可以动态诱导轴子场，并表现出丰富的奇异现象，例如手征磁效应、轴子极化激元等，但由于缺乏真实材料，对动态轴子场的研究还很少见。最近，MnBi $_2$ Te $_4$被发现是一种反铁磁拓扑绝缘体，其量子化的轴子场受到反转对称性$\mathcal{P}$和磁晶对称性$\mathcal{S}$的保护。本文研究了$\mathcal{P}$和$\mathcal{S}$对称性自发破缺的MnBi $_2$ Te $_4$薄膜，发现通过调节MnBi $_2$ Te $_4$薄膜的厚度、温度和元素替代，可以实现动态轴子场和可调的动态磁电效应.我们的研究结果为反铁磁拓扑绝缘体MnBi $_2$ Te $_4$及相关材料中轴子动力学的研究开辟了广阔的途径，也有望推动暗物质的研究.
Robust axion insulator and Chern insulator phases in a two-dimensional antiferromagnetic topological insulator
二维（2D）材料中的非平凡拓扑结构和磁性之间的复杂相互作用导致了许多新现象和功能的出现。一个突出的例子是量子反常霍尔（QAH）效应，它是在没有磁场的情况下在磁掺杂拓扑绝缘体中实现的。最近，层状范德华化合物MnBi_2Te_4被理论预测和实验验证为具有层间反铁磁（AFM）有序的TI。它是一种罕见的拓扑和磁性共存的化学计量材料，因此代表了复杂拓扑-磁性结构的完美构建块。在这里，我们研究了场效应晶体管几何结构中块体晶体和剥落的MnBi 2 Te 4薄片的量子输运行为。在6七层（SL）设备调谐到绝缘制度，我们观察到一个大的纵向电阻和零霍尔平台，这是轴子绝缘体状态的特点。在零磁场、宽磁场范围和相对高的温度下，都能出现强的轴子绝缘体状态。此外，一个中等的磁场驱动量子相变从轴子绝缘体相到陈绝缘体相具有零纵向电阻和量子化霍尔电阻h/e2（h是普朗克常数和e是元素电荷）。这些结果为利用偶数阶半导体MnBi_2Te_4实现凝聚态系统的量子化拓扑磁电效应和轴子电动力学奠定了基础。
A Proposal to Detect Dark Matter Using Axionic Topological Antiferromagnets
反铁磁掺杂拓扑绝缘体（A-TI）是动力学轴子场和轴子极化激元的候选者之一;弱相互作用准粒子类似于暗轴子，一种长期寻求的候选暗物质粒子。在这里，我们证明，使用轴子准粒子反铁磁共振在A-TI的结合低噪声的方法检测太赫兹光子提出了一个可行的路线，以检测质量为0.7至3.5毫电子伏的轴子暗物质，目前无法进入其他暗物质检测实验和建议的范围。这种方法在高频下的优点是谐振与施加磁场的可调谐性，以及使用体积远大于1 mm $^3$的A-TI样品。
Dynamical axion state with hidden pseudospin Chern numbers in MnBi$_{2}$Te$_{4}$-based heterostructures
轴子是一种假想的基本粒子，最初是为了解决粒子物理学中的电荷共轭-宇称问题而提出的。有趣的是，轴子态出现在拓扑绝缘体的有效理论中，并在凝聚态物理中引起了广泛的关注。时间反演或反转对称性约束了要被量化的轴子场$θ$。当时间反演和反转对称性都被反铁磁序打破时，轴子场$θ$会随着磁场涨落而变得非量子化和动态化，这被称为动态轴子场。在这里，我们揭示了广泛的一类拓扑绝缘体为基础的动力学轴子状态可以区分从正常的绝缘体为基础的一个隐藏的量从赝自旋陈数。受最近对MnBi $_{2}$ Te $_{4}$族材料的研究的启发，我们进一步表明，这种基于拓扑绝缘体的动力学轴子态有望在基于MnBi $_{2}$ Te $_{4}$的异质结构中实现，这将极大地促进凝聚态物理中轴子电动力学的研究。
Using nonlocal surface transport to identify the axion insulator
轴子是一种假想的粒子，但在实验中未被探测到。最近，反铁磁拓扑绝缘体MnBi $_2$ Te $_4$已被预测为宿主的轴子绝缘体，但实验证据仍然难以捉摸。具体地说，轴子绝缘体被认为携带着“半量子化”的手性电流，在其顶面和底面上反平行运行。然而，精确测量半量化是具有挑战性的。在这里，我们提出了一个非局域表面输运装置，其中的轴子绝缘体可以区分正常的绝缘体没有一个精确的测量的半量子化。更重要的是，我们表明，非局部表面输运，作为一个定性的测量，是强大的，在现实情况下，当无间隙的侧面和混乱来发挥作用。此外，厚电极可用于MnBi $_2$ Te $_4$厚膜器件中，增强了表面测量的可行性。这对在拓扑物质中寻找轴子绝缘体和轴子具有重要的意义。
Hexagon Ising-Kondo lattice: An implication for intrinsic antiferromagnetic topological insulator
最近，MnBi $_2$ Te $_4$材料已被提出作为第一个本征反铁磁拓扑绝缘体（AFMTI），其中磁性和拓扑结构之间的相互作用诱导了几个迷人的拓扑相，如量子反常霍尔效应，马约拉纳费米子和轴子电动力学。然而，一个完全可解的模型，能够捕捉磁性和拓扑结构之间的相互作用的基本物理仍然是缺席。在这里，灵感来自伊辛类性质[B。Li \textit{et al.} Phys. Rev. Lett. \textbf{124}，167204（2020）]和MnBi $_2$ Te $_4$的拓扑性质，我们提出了一个拓扑Ising-Kondo晶格（TIKL）模型来研究其零温下的基态性质.所得的相图包括丰富的拓扑和磁状态，出现在模型中提出的一个自然和一致的方式为内禀磁性拓扑绝缘体。利用蒙特卡罗模拟，我们将AFMTI的基态推广到有限温度。结果表明，这些拓扑性质在高温下仍然存在，在适当的关联强度下，高温可以恢复这些拓扑性质。结果表明，TIKL可以为今后的实验研究提供一种思路，利用TIKL可以对磁性和输运性质进行微调，从而获得更稳定、更奇异的磁性拓扑量子态.
近年来，反铁磁拓扑绝缘体（TI）MnBi $_2$ Te $_4$的发现引发了人们对新的磁拓扑物理的探索。基于第一性原理计算，我们发现磁性取向和有序度的改变不仅显著影响了MnBi $_2$ Te $_4$中的材料对称性和轨道杂化，而且导致了新的磁性拓扑相的变化.因此，我们预测了一系列不寻常的拓扑量子相变，是磁性可控的材料，包括相变从AFM TI到AFM镜拓扑晶体绝缘体，从II型到I型拓扑Weyl半金属，从轴子绝缘体到陈绝缘体。这些发现为磁性拓扑材料的未来研究和应用开辟了新的机会。
Axion Insulator State in Hundred-Nanometer-Thick Magnetic Topological Insulator Sandwich Heterostructures
Department of Physics, The Pennsylvania State University（宾夕法尼亚州立大学物理系）；Department of Physics, Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学物理系）；Materials Research Institute, The Pennsylvania State University（宾夕法尼亚州立大学材料研究所）
Topological axion states in magnetic insulator MnBi$_2$Te$_4$ with the quantized magnetoelectric effect
量子物质的拓扑态在凝聚态物理和材料科学中引起了极大的关注。量子材料中的时间反演不变（TRI）拓扑态的研究在理论和实验上都取得了巨大的进展。作为一个巨大的成功，成千上万的TRI拓扑材料预测通过扫描搜索。由于磁性拓扑材料的磁结构多样，人们期望在其中出现更丰富的奇异现象，但由于磁性拓扑材料的磁结构和相变复杂，这方面的研究相对滞后。在这里，我们预测的tetradymite型化合物MnBi $_2$ Te $_4$和它的相关材料主机有趣的磁性拓扑状态。MnBi $_2$ Te $_4$的磁基态是一个反铁磁相，它导致一个具有大的拓扑非平凡能隙（$\sim$ 0.2~eV）的反铁磁拓扑绝缘体态.它是轴子态的母态，具有带隙的体态和表面态，以及量子化的拓扑磁电效应。MnBi $_2$ Te $_4$的铁磁相导致在费米能级上具有两个Weyl点以及一个空穴型和一个电子型费米口袋的理想的最小II型Weyl半金属，这在其他地方从未发现过。我们进一步提出了一个简单而统一的连续介质模型来描述这类材料的显著拓扑特征。
Giant universal conductance fluctuations in the antiferromagnetic topological insulator MnBi2Te4
Leibniz Institute for Solid State and Materials Research, IFW Dresden（德累斯顿IFW固体与材料研究所）；TU Dresden（德累斯顿工业大学）；Université Grenoble Alpes（格勒诺布尔阿尔卑斯大学）；CNRS（法国国家科学研究中心）；CEA（法国原子能和替代能源委员会）；Technical University of Dortmund（多特蒙德工业大学）；Research Center ”Future Energy Materials and Systems”（未来能源材料与系统研究中心）；Laboratoire National des Champs Magnetiques Intenses LNCMI（强磁场国家实验室）
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。
