Spontaneous ferromagnetism induced topological phase transition in EuB6
W. L. Liu, X. Zhang, S. M. Nie, Z. T. Liu, X. Y. Sun, H. Y. Wang, J. Y. Ding, L. Sun, Z. Huang, H. Su, Y. C. Yang, Z. C. Jiang, X. L. Lu, J. S. Liu, Z. H. Liu, … 展开作者
W. L. Liu, X. Zhang, S. M. Nie, Z. T. Liu, X. Y. Sun, H. Y. Wang, J. Y. Ding, L. Sun, Z. Huang, H. Su, Y. C. Yang, Z. C. Jiang, X. L. Lu, J. S. Liu, Z. H. Liu, S. L. Zhang, H. M. Weng, Y. F. Guo, Z. J. Wang, D. W. Shen, Z. Liu
The interplay between various symmetries and electronic bands topology is one of the core issues for topological quantum materials. Spontaneous magnetism, which leads to the breaking of time-reversal symmetry, has been proven to be a powerful approach to trigger various exotic topological phases. In this work, utilizing the combination of angle-resolved photoemission spectroscopy, magneto-optical Kerr effect microscopy and first-principles calculations, we present the direct evidence on the realization of the long-sought spontaneous time-reversal symmetry breaking induced topological phase transition in soft ferromagnetic EuB$_6$. We successfully disentangle the bulk band structure from complicated surface states, and reveal the hallmark band inversion occurring between two opposite-parity bulk bands below the phase transition temperature. Besides, our magneto-optical Kerr effect microscopy result confirms the simultaneous formation of magnetic domains in EuB$_6$, implying the intimate link between the topological phase transition and broken time-reversal symmetry therein. Our results demonstrate that EuB$_6$ provides a potential platform to study the interplay between the topological phases and tunable magnetic orders.
Ferromagnetism and orbital order in a topological ferroelectric
我们探索通过密度泛函计算的磁性掺杂的拓扑铁电体作为一种非常规的路线，多铁性。层状钙钛矿La $_{2}$ Ti $_{2}$ O $_{7}$的钒掺杂在很大程度上保持了电极化的强度并产生了稳健的铁磁有序性，因此具有适当的多铁性。掺杂剂聚集成链的显著趋势导致在一般掺杂下的绝缘特性。铁磁性源于多轨道V系统通过不寻常的“反铁”轨道顺序的对称性破缺，以及宿主的低对称性层状结构。
Interplay between ferromagnetism, surface states, and quantum corrections in a magnetically doped topological insulator
铁磁性对时间反演对称性的破坏将使拓扑绝缘体的电子表面态发生深刻的变化。在这里，我们报告一组协调一致的结构，磁性，电气和光谱测量\MBS薄膜，其中光电发射和X-射线磁圆二色性研究最近显示表面铁磁性的温度范围15 K $\leq T \leq 100$ K，伴随着在狄拉克点的表面态密度被抑制。二次离子质谱和扫描隧道显微镜揭示了Mn原子的不均匀分布，有向样品表面偏析的趋势。磁性测量和各向异性磁阻测量对表面研究中观察到的高温铁磁性不敏感，而是揭示了在$T \lesssim 5$ K下的低温铁磁性相。磁光克尔效应和异常霍尔效应的存在表明，这种低温铁磁性不太可能是一个均匀的体相，但可能起源于纳米尺度的近表面区域的散装在样品生长过程中分离的磁性原子。虽然样品是不理想的，无论是体积和表面的贡献，电子输运，我们测量的磁导的行为是定性一致的预测，在狄拉克光谱中的间隙的开放驱动器的量子校正拓扑绝缘体的电导从辛正交类。
Infrared electrodynamics and ferromagnetism in the topological semiconductors Bi$_2$Te$_3$ and Mn-doped Bi$_2$Te$_3$
报道了Bi $_2$ Te $_3$和Mn掺杂Bi $_2$ Te $_3$外延薄膜的红外光学实验。在后一种薄膜中，拓扑非平凡的半导体基质中的Mn掺杂（4.5%）导致在低于$T_C$ =15 K的温度下出现时间反转的破缺铁磁有序.我们的光谱研究表明，这两种材料共享的Bi $_2$ Te $_3$的晶体结构，以及分类为体简并半导体。因此，在这两种材料中，费米能都位于Bi $_2$ Te $_3$导带中，此外，不需要调用拓扑表面态来描述电导率谱。我们还表明，德鲁德振子强度给出了一个简单的度量，以区分拓扑表面状态的起源的低频电导的可能性，并得出结论，无论是原始的和Mn掺杂的Bi $_2$ Te $_3$样品的电磁响应确实是占主导地位的散装材料的属性，而不是那些表面。然而，利用非平凡拓扑结构和磁性之间的相互作用的一个令人鼓舞的方面是，Mn掺杂的Bi $_2$ Te $_3$膜的温度依赖性表明，体载流子在介导铁磁性方面不起重要作用。因此，真正绝缘的块体可能仍然适合于在该稀磁拓扑半导体中形成铁磁基态。
Charge Carrier Mediation and Ferromagnetism induced in MnBi6Te10 Magnetic Topological Insulators by antimony doping
MnBi_2 Te_4是一种新型的内禀磁性拓扑绝缘体（MTI），它在观察量子反常霍尔效应（QAHE）等新型拓扑量子效应方面具有重要意义。然而，强的反铁磁（AFM）耦合和高的载流子浓度阻碍了实际应用。在密切相关的材料MnBi 4 Te 7和MnBi 6 Te 10中，层间磁耦合被Bi 2 Te 3层插入极大地抑制。然而，AFM仍然是这些化合物中的基态。通过磁性和输运测量，我们证明了Sb替代掺杂在MnBi 6 Te 10中具有双重作用，不仅可以调节载流子类型和浓度，而且可以诱导固体进入铁磁（FM）基态。在Mn（SbxBi 1-x）6 Te 10的相图中，当x ~ 0. 25时，出现了一个接近电荷中性点的原子力显微镜基态区域。本征FM-MTI候选材料的提出为今后实现高质量高温QAHE及相关的拓扑量子效应提供了一个新的思路。
在拓扑绝缘体中剪裁磁序是实现拓扑量子现象的关键。一个突出的挑战是找到一种材料，其中原子缺陷导致可调的磁秩序，同时保持一个非平凡的拓扑结构。在这里，通过结合磁化测量，角分辨光电子能谱，透射电子显微镜，我们揭示了无序启用，可调磁基态MnBi $_6$ Te $_{10}$。在铁磁相，15毫电子伏的能隙是解决在狄拉克点上的MnBi $_2$ Te $_4$终止。相反，反铁磁MnBi $_6$ Te $_{10}$在所有终端上都表现出无隙拓扑表面态。透射电子显微镜和磁化强度测量揭示了铁磁MnBi $_6$ Te $_{10}$中大量的Mn空位和Mn迁移。我们提供了一个概念框架，这些缺陷的合作相互作用驱动一个微妙的整体磁基态能量的变化，并导致可调磁拓扑秩序。我们的工作提供了一个明确的途径，纳米缺陷工程实现拓扑量子相。
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。
Independent tuning of electronic properties and induced ferromagnetism in topological insulators with heterostructure approach
最近，在低于100 mK的温度下，在Cr和V掺杂的三维拓扑绝缘体（TI）中已经证实了量子反常霍尔效应（QAHE）。在这些材料中，过渡金属掺杂剂中未填充的d电子的自旋被交换耦合以发展长程铁磁有序，这对于实现QAHE是必不可少的。然而，添加无规掺杂剂不仅引入需要重新调整Bi/Sb比率的过量载流子，而且不可避免地引入顺磁自旋，其可不利地影响QAHE中的手性边缘输运。在这项工作中，我们展示了一种异质结构的方法来独立地调整（BixSb 1-x）2 Te 3中的拓扑表面态的电子和磁性，而不诉诸于过渡金属元素的随机掺杂。在由（BixSb 1-x）2 Te 3 Ti薄膜和高居里温度（~ 550 K）的磁性绝缘体钇铁石榴石（YIG）组成的异质结构中，我们发现与YIG接触的Ti表面通过邻近耦合而变成铁磁的，这是由反常的霍尔效应（AHE）揭示的。磁化TI表面的居里温度范围从20到150 K，但与Bi分数x在（BixSb 1-x）2 Te 3不相关。相反，当x变化时，AHE电阻率与纵向电阻率成比例。在这种方法中，我们解耦的电子性质从感生铁磁性TI。这种独立优化为在更高温度下实现QAHE提供了一条途径，这对于新型自旋电子器件的应用具有重要意义。
Coexistence of Surface Ferromagnetism and Gapless Topological State in MnBi$_2$Te$_4$
表面磁性及其与电子结构的相关性对于理解内禀磁性拓扑绝缘体MnBi $_2$ Te $_4$的无带隙拓扑表面态是至关重要的。在这里，使用静态和时间分辨角分辨光电子能谱（ARPES），我们发现了一个显着的ARPES强度变化与间隙开放的拉什巴样导带。与模型模拟的比较强烈地表明，解理MnBi $_2$ Te $_4$的表面磁性与其体相状态相同。表面铁磁性和无带隙TSS的共存揭示了MnBi $_2$ Te $_4$的新的复杂性，这可能是负责剥离的MnBi $_2$ Te $_4$的低量子反常霍尔温度。
Ferromagnetism with in-plane magnetization, Dirac spin-gapless semiconducting property, and tunable topological states in two-dimensional rare-earth-metal dinitrides
Detection of magnetic gap in the topological surface states of MnBi2Te4
近年来，本征反铁磁拓扑绝缘体MnBi2Te 4由于具有量子反常霍尔效应、轴子绝缘体态等量子相而引起了人们的广泛关注，并在物理学和材料科学领域取得了重大进展。实现这些量子态的一个重要因素是由MnBi 2 Te 4表面的面外铁磁性引起的拓扑表面态中的磁隙。然而，表面间隙的实验观测仍然存在争议。在这里，我们报告的表面间隙通过点接触隧道光谱的观察。与理论计算相一致，间隙大小为约50毫电子伏，随着温度的升高，随着样品变得顺磁性而消失。通过样品表面的点接触结在面外磁场作用下检测到磁阻滞后，证实了样品表面的铁磁性。此外，非零输运自旋极化来自铁磁性的点接触Andreev反射光谱确定。结合这些结果，揭示了MnBi2Te4拓扑表面态的磁致能隙.
Observation of correlation-driven topological transport and robust ferromagnetism in 2D CrS$_2$
Institute of Physics（物理研究所）；S. N. Bose National Centre for Basic Sciences（S.N. 玻色基础科学国家中心）；Uppsala University（乌普萨拉大学）；Montanuniversität Leoben（莱奥本矿业大学）；University of Rijeka（里耶卡大学）
Local optical control of ferromagnetism and chemical potential in a topological insulator
许多涉及拓扑绝缘体（TI）的实验需要对时间反演对称性和化学势进行空间控制。我们展示了可重构的微米尺度的光学控制的磁化强度（打破时间反转对称性）和化学势的铁磁薄膜的Cr-（Bi，Sb）$_2$ Te $_3$生长在SrTiO $_3$。通过光学调制薄膜的磁化率，我们在它们的回复磁化中写入和擦除任意图案，然后用克尔显微镜成像。此外，通过光学操纵的空间电荷层在下面的SrTiO $_3$衬底，我们控制的局部化学势的薄膜。这种光学选通效应使我们能够在薄膜中写入和擦除pn结，我们用光电流显微镜研究。这两种效应都是持久的，并且可以在几微米尺度上独立地形成图案和成像。动态光学控制的磁化强度和化学势的TI可能是有用的努力，以了解和控制的边缘状态预测在磁畴壁的量子异常霍尔绝缘体。
Nonmagnetic-Doping Induced Quantum Anomalous Hall Effect in Topological Insulators
在磁掺杂拓扑绝缘体中实验观察到量子反常霍尔效应。然而，超低温（通常低于300 mK），这主要是由于不均匀的磁性掺杂，成为一个艰巨的挑战，潜在的应用。本文提出了一种\textit{nonmagnetic}掺杂策略，在拓扑绝缘体中产生铁磁性并实现QAHE。我们数值计算表明，磁矩可以诱导由氮或碳取代在Bi $_2$ Se $_3$，Bi $_2$ Te $_3$，和Sb $_2$ Te $_3$，但只有氮掺杂的Sb $_2$ Te $_3$表现出长程铁磁性和保持大的体带隙。我们进一步表明，其相应的薄膜可以在17-29开尔文的温度下窝藏QAHE，这比类似系统中的典型温度高两个数量级。我们提出的\textit{nonmagnetic}掺杂方案可能为拓扑绝缘体中高温QAHE的实验实现提供新的思路。
Do topology and ferromagnetism cooperate at the EuS/Bi$_2$Se$_3$ interface?
利用低能μ子自旋旋转（LE- $μ$ SR）方法研究了绝缘铁磁体EuS和拓扑绝缘体Bi $_2$ Se $_3$之间界面的局域磁性.我们比较这些EuS和拓扑平凡的金属，钛之间的接口。下面的EuS的磁过渡，我们检测到强的本地磁场延伸到相邻的层，并导致一个完整的去极化的μ子。然而，在这两个Bi $_2$硒$_3$和钛，我们测量到类似的本地磁场，这意味着它们的起源主要是独立的界面电子状态的拓扑性质。此外，我们还利用共振软X射线角分辨光电子能谱（SX-ARPES）研究了EuS和Bi $_2$ Se $_3$界面的电子能带结构。通过将光子能量调谐到Eu $M_5$前边缘处的Eu反共振，我们能够通过保护性Al $_2$ O $_3$覆盖层和EuS层检测Bi $_2$ Se $_3$导带。此外，我们观察到一个签名的界面诱导的修改的掩埋Bi $_2$ Se $_3$波函数和/或界面状态的存在。
