The concept of electronic topology and the associated topological protection brings excellent opportunities for developing next-generation devices. Ideally, magnetic topological materials (MTM) should have their Dirac/Weyl points and/or associated mass gaps at the Fermi energy (EF) or be readily tunable such that they can be placed at EF via external perturbations such as electric field gating, chemical substitutions, or doping. Three-dimensional antiferromagnetic (AFM) materials like Mn$Bi_{2}$$X_{4}$ (X=Se, Te) that have strong spin-orbit coupling (SOC) and broken time-reversal symmetry (TRS) due to magnetic ordering have been the subject of enormous interest.. In this work, using density functional theory (DFT), we have studied the electronic properties and topological phases of the first intrinsic magnetic topological insulator family Mn$Bi_{2}$$Te_{4}$ (MBT) in the presence of an external magnetic field. Our calculations reveal that the topological phase of bulk rhombohedral (R$\overline{3}$m) Mn$A_{2}$$X_{4}$ (A = Sb, Bi; X=Se, Te) depends on the spin direction and the chemistry. The antiferromagnetic (AFM) ground state of Mn$Sb_{2}$$Se_{4}$ (MSS) is a trivial insulator, whereas the AFM ground state of Mn$Bi_{2}$$Se_{4}$(MBS) is an Axion insulator. Both materials become nodal point or nodal line Weyl semimetals in the presence of a sufficiently strong external magnetic field. The AFM ground state of Mn$Sb_{2}$$Te_{4}$ (MST) is an Axion insulator. MST is a type-II Weyl semimetal with spins aligned in the $\hat{Z}$-direction, but becomes insulating with an inverted band gap for spins in-plane. Similarly, the AFM phase of MBT is an Axion insulator, but remains insulating with an inverted gap in the ferromagnetic phase. Additionally, we demonstrated the evolution of the topological phase of Mn$Bi_{2}$$Te_{4}$ (MBT) by substituting the Bi atoms with the Sb atoms.
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。
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。
Tailoring Exchange Couplings in Magnetic Topological Insulator/Antiferromagnet Heterostructures
磁性拓扑绝缘体,如Cr掺杂的(Bi,Sb)2 Te 3,为实现多功能时间反演破磁物理提供了一个平台。通过在反铁磁CrSb中构建Néel有序异质结构和在Cr掺杂的(Bi,Sb)2 Te 3中构建磁拓扑有序异质结构,实现了可以通过人工结构工程定制的界面磁现象.通过故意的异质结构和超晶格的几何设计,我们证明了反铁磁交换耦合在操纵的拓扑表面大量狄拉克费米子的磁性。这项工作为拓扑绝缘体与反铁磁材料的结合提供了一个新的框架,并为无耗散拓扑反铁磁自旋电子学开辟了新的途径。
Experimental realization of an intrinsic magnetic topological insulator
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。
Magnetic Properties and Electronic Structure of Magnetic Topological Insulator MnBi$_2$Se$_4$
本征磁性拓扑绝缘体MnBi $_2$ X $_4$(X = Se,Te)是实现各种与磁序对称性破缺相关的新型拓扑态的理想材料。虽然MnBi $_2$ Te $_4$的研究取得了很大进展,但由于所需三角相的材料合成困难,对MnBi $_2$ Se $_4$的研究一直很缺乏。在这里,我们报告的合成多层三角MnBi $_2$ Se $_4$与交替层分子束外延。原子分辨率扫描透射电子显微镜(STEM)和扫描隧道显微镜(STM)确定了一个有序的多层范德华(vdW)晶体与七层的基本单位在协议的三角结构。系统的厚度相关的磁力研究说明了层状反铁磁有序的理论预测。角分辨光电子能谱(ARPES)显示MnBi $_2$ Se $_4$的类Dirac-like表面态,表明MnBi $_2$ Se $_4$在磁有序温度以上是拓扑绝缘体.这些系统的研究表明,MnBi $_2$ Se $_4$是探索层状反铁磁拓扑绝缘体丰富拓扑相的一个有希望的候选者。
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。
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。
Long-Time Magnetic Relaxation in Antiferromagnetic Topological Material EuCd$_2$As$_2$
磁性拓扑材料由于其拓扑结构与磁性的相关性而受到人们的广泛关注。最近的研究表明EuCd $_2$ As $_2$是一种反铁磁拓扑材料。通过对EuCd $_2$ As $_2$的磁、电、热性质的测量,发现了EuCd的磁化率的长时间弛豫。发现在5 K下的(001)面内磁化率在$\sim$ 14小时的时间内连续增加直到$\sim$ 10%。磁弛豫是各向异性的,并且强烈地依赖于温度和所施加的磁场。这些结果将激发进一步的理论和实验研究,以了解弛豫过程的起源及其对磁性拓扑材料的电子结构和物理性质的影响。
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。
Substrate Effect on Electronic Band Structure and Topological Property in Monolayer V2O3 Magnetic Topological Insulator
School of Materials, Shenzhen Campus of Sun Yat-sen University(中山大学深圳校区材料学院);Guangdong Engineering Technology Research Centre for Advanced Thermal Control Material and System Integration (ATCMSI), Sun Yat-sen University(中山大学广东省先进热控材料与系统集成工程技术研究中心);Huizhou Research Institute, Sun Yat-sen University(中山大学惠州研究院)