One of the main goals and challenges of materials discovery is to find the best candidates for each interest property or application. Machine learning rises in this context to efficiently optimize this search, exploring the immense materials space, consisting of simultaneously the atomic, compositional, and structural spaces. Topological insulators, presenting symmetry-protected metallic edge states, are a promising class of materials for different applications. However, further, development is limited by the scarcity of viable candidates. Here we present and discuss machine learning-accelerated strategies for searching the materials space for two-dimensional topological materials. We show the importance of detailed investigations of each machine learning component, leading to different results. Using recently created databases containing thousands of ab initio calculations of 2D materials, we train machine learning models capable of determining the electronic topology of materials, with an accuracy of over 90%. We can then generate and screen thousands of novel materials, efficiently predicting their topological character without the need for a priori structural knowledge. We discover 56 non-trivial materials, of which 17 novel insulating candidates for further investigation, for which we corroborate their topological properties with density functional theory calculations. This strategy is 10$\times$ more efficient than the trial-and-error approach while few orders of magnitude faster and is a proof of concept for guiding improved materials discovery search strategies.
Direct observation of decoupled Dirac states at the interface between topological and normal insulators
在拓扑绝缘体中的几种应用和奇异效应依赖于拓扑绝缘体和正常绝缘体之间界面处螺旋狄拉克态的存在。在本工作中，我们利用低能角分辨光电子能谱学对Si（111）衬底上生长的Bi $_2$ Se $_3$薄膜和Bi $_2$ Te $_3$ /Bi $_2$ Se $_3$异质结构的界面态进行了研究和表征。结果表明，狄拉克费米子确实存在于拓扑-正常-绝缘体边界，而不存在于拓扑-拓扑-绝缘体界面。此外，它表明，能带弯曲内存在的拓扑绝缘体膜导致的界面和表面态的能量的实质性分离。这些结果为进一步研究和实现拓扑绝缘体薄膜异质结构中的界面相关现象奠定了基础。
Magnetic proximity effect at the 3D topological insulator/magnetic insulator interface
磁邻近效应是由拓扑绝缘体和磁性材料层组成的异质结构的基本特征，因为它是具有新颖量子功能的器件中的许多潜在应用的基础。以Bi $_2$ Se $_3$ /MnSe（111）体系为例，利用密度泛函理论研究了三维拓扑绝缘体/磁绝缘体（TI/MI）界面的磁邻近效应.我们证明了在界面附近出现一个能隙的普通束缚态，其能谱依赖于界面势。由于拓扑绝缘体向更深的原子层迁移，系统中也出现了带隙的拓扑狄拉克态。狄拉克锥中的能隙起源于拓扑态和普通界面态的重叠。这一结果也被证实的分析模型，是一个关键方面的磁邻近效应机制的TI/MI结构。
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。
Emergence of a weak topological insulator from the Bi$_x$Se$_y$ family and the observation of weak anti-localization
强拓扑绝缘体的发现导致了凝聚态物理的巨大活动和新型拓扑材料的发现。基于铋的硫族化物是示例性强三维拓扑绝缘体，其在所有表面上具有奇数个无质量狄拉克费米子态。一个与这个概念不同的想法是弱拓扑绝缘体，其中只有某些表面终端主机表面状态的特点是偶数狄拉克锥导致令人兴奋的新物理。然而，在实验上，弱拓扑绝缘体已被证明是难以捉摸的。在这里，我们报告发现了一个弱的拓扑绝缘体（WTI），铋硒，铋硫族化物家庭的间接带隙为42毫电子伏。它的结构单元由铋双层（Bi $_2$）组成，铋双层是夹在两个Bi $_2$ Se $_3$单元之间的已知量子自旋霍尔绝缘体，两个Bi $_2$ Se $_3$单元是三维强拓扑绝缘体。角分辨光电子能谱（ARPES）测量和密度泛函理论（DFT）计算证实了BiSe的弱拓扑绝缘态的存在。此外，我们已经进行了磁输运测量单晶片以及薄膜的BiSe，表现出明显的签名弱反本地化在低温下，符合拓扑绝缘体的属性。
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。
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。
Molecular Beam Epitaxial Growth of Bi2Te3 and Sb2Te3 Topological Insulators on GaAs (111) Substrates: A Potential Route to Fabricate Topological Insulator p-n Junction
采用固体源分子束外延技术在GaAs（111）衬底上外延生长了高质量的Bi 2 Te 3和Sb 2 Te 3拓扑绝缘体薄膜。用反射高能电子衍射、原子力显微镜、X射线衍射和高分辨透射电子显微镜研究了它们在邻位和非邻位GaAs（111）衬底上的生长和行为。发现非邻位GaAs（111）衬底比邻位GaAs（111）衬底更能获得高质量的Bi_2Te_3和Sb_2Te_3薄膜。霍尔和磁阻测量表明，p型Sb_2Te_3和n型Bi_2Te_3拓扑绝缘体薄膜可以直接生长在GaAs（111）衬底上，这为在同一衬底上制备拓扑绝缘体pn结提供了一条途径，与现有半导体光电子器件的制备工艺相兼容。
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。
Large Anomalous Hall Effect in Topological Insulators with Proximitized Ferromagnetic Insulators
报道了由铁磁绝缘体Cr2 Ge 2 Te 6和拓扑绝缘体（Bi，Sb）2 Te 3组成的全碲化物异质结构中邻近驱动的大反常霍尔效应.尽管在（Bi，Sb）2 Te 3层的磁化小，异常霍尔电导率达到0.2e2/h的大值，符合铁磁响应的Cr2 Ge 2 Te 6。结果表明，拓扑绝缘体的表面态与邻近层Cr2 Ge 2 Te 6之间的交换耦合是有效的，并且足够强，可以打开表面态的交换能隙.
