Structural tuning magnetism and topology in a magnetic topological insulator
Christopher Eckberg, Gang Qiu, Tao Qu, Sohee Kwon, Yuhang Liu, Lixuan Tai, David Graf, Su Kong Chong, Peng Zhang, Kin L. Wong, Roger K. Lake, Mahesh R. Neupane, Kang L. Wang
迄今为止，最广泛研究的量子反常霍尔绝缘体（QAHI）平台是通过将磁性离子稀释掺杂到合金化的碲铁矿拓扑绝缘体（TI）（Bi $_{1-x}$ Sb $_x$）$_2$ Te $_3$（BST）的薄膜中来实现的。在这些薄膜中，长程磁有序的过渡金属取代打开交换间隙$Δ$的拓扑表面状态，稳定自旋极化，无耗散的边缘通道与非零陈数$\mathcal{C}$。空间上分离的磁性离子的长程有序性本身由宿主TI中的电子态介导，导致磁性和电子性质之间的复杂反馈。在这里，我们提出了一个基于BST的QAHI系统的电子和磁响应的研究，通过静水压力的结构调整。我们确定了一个系统的压缩应变下的拓扑间隙的关闭伴随着同时增强的磁有序强度。结合这些实验结果与第一性原理计算，我们确定结构变形作为一个强大的调谐参数，以穿越丰富的拓扑相空间和修改磁性掺杂BST系统的磁性。
英文摘要：
To date, the most widely-studied quantum anomalous Hall insulator (QAHI) platform is achieved by dilute doping of magnetic ions into thin films of the alloyed tetradymite topological insulator (TI) (Bi$_{1-x}$Sb$_x$)$_2$Te$_3$ (BST). In these films, long-range magnetic ordering of the transition metal substituants opens an exchange gap $Δ$ in the topological surface states, stabilizing spin-polarized, dissipationless edge channels with a nonzero Chern number $\mathcal{C}$. The long-range ordering of the spatially separated magnetic ions is itself mediated by electronic states in the host TI, leading to a sophisticated feedback between magnetic and electronic properties. Here we present a study of the electronic and magnetic response of a BST-based QAHI system to structural tuning via hydrostatic pressure. We identify a systematic closure of the topological gap under compressive strain accompanied by a simultaneous enhancement in the magnetic ordering strength. Combining these experimental results with first-principle calculations we identify structural deformation as a strong tuning parameter to traverse a rich topological phase space and modify magnetism in the magnetically doped BST system.
Effect of dilute magnetism in a topological insulator
三维拓扑绝缘体作为量子物质的一种特殊状态，在凝聚态物理中引起了人们极大的兴趣。三维TI的表面由无质量的狄拉克锥组成，其特征在于Z2拓扑不变量。在TI表面引入磁性是实现量子反常霍尔效应（QAHE）等新的磁电现象的必要条件。在这里，通过使用组合的第一性原理计算，磁输运，角分辨光电子能谱（ARPES），和时间分辨ARPES（tr-ARPES），我们研究了钆（Gd）掺杂的Sb 2 Te 3的电子性质。研究表明，Gd掺杂的Sb_2 Te_3是一种自旋轨道诱导的体带隙材料，其表面具有单一的拓扑表面态。我们进一步证明，通过Gd掺杂将稀释的4f-电子磁性引入到Sb 2 Te 3拓扑绝缘体系统中，在该系统中产生表面磁性。我们的研究结果为研究掺杂拓扑材料中稀磁与拓扑结构之间的相互作用提供了一个新的平台。
Meta-magnetism of weakly-coupled antiferromagnetic topological insulators
通过磁输运测量研究了范德华磁性拓扑绝缘体MnBi $_2$ Te $_4$和MnBi $_4$ Te $_7$的磁性.我们的证据表明，层间交换耦合J的单轴各向异性K的相对强度控制从A型反铁磁秩序的铁磁变磁状态的过渡。双层Stoner-Wohlfarth模型使我们能够描述这种演变，以及特定签名的典型角度依赖性，例如单轴反铁磁体的自旋翻转过渡和变磁体的开关场。
Polar surface engineering in ultra-thin MgO(111)/Ag(111) -- possibility of metal-insulator transition and magnetism
最近的一份报告[Kiguchi { \it et al.}，Phys. Rev. B { \bf 68}，115402（2003）]中所述，在Ag（111）上外延生长的5个MgO层的（111）表面变成金属性以减小电偶极矩，这提出了当我们具有较少MgO层时会发生什么的问题。在这里，我们已经揭示，首先实验与电子能量损失光谱，MgO（111）保持金属，即使当一层厚，和理论与密度泛函理论，金属化应该取决于衬底的性质。我们进一步表明，与自旋密度泛函计算，铁磁不稳定性可能是预期较厚的薄膜。
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。
Hydrostatic Pressure-enhanced correlated magnetism and Chern insulator in moir'e WSe2
State Key Laboratory of Micro-nano Engineering Science, Key Laboratory of Artificial Structures and Quantum Control (Ministry of Education), School of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学物理与天文学院微纳工程科学国家重点实验室人工结构量子控制教育部重点实验室）；Tsung-Dao Lee Institute, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学李政道研究所）；Center for High Pressure Science & Technology Advanced Research (HPSTAR)（高压科学与技术前沿研究中心）；Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids（马克斯·普朗克固体化学物理研究所）；Shanghai Key Laboratory of Material Frontiers Research in Extreme Environments, Institute for Shanghai Advanced Research in Physical Sciences（上海极端环境材料前沿研究重点实验室上海物理科学研究院）；Zhiyuan College, Shanghai Jiaotong University（上海交通大学致远学院）；Research Center for Electronic and Optical Materials, National Institute for Materials Science（国立材料研究所电子与光学材料研究中心）；Research Center for Materials Nanoarchitectonics, National Institute for Materials Science（国立材料研究所材料纳米架构研究中心）；Hefei National Laboratory（合肥国家实验室）；Shanghai Research Center for Quantum Sciences（上海量子科学研究与创新中心）；Department of Physics and Astronomy, University of Tennessee, Knoxville（田纳西大学诺克斯维尔分校物理与天文系）；Department of Physics, National University of Singapore（新加坡国立大学物理系）
Direct measurement of proximity-induced magnetism at the interface between a topological insulator and a ferromagnet
当拓扑绝缘体（TI）与铁磁体接触时，时间反转和反转对称性在界面处都被破坏。在TI表面形成能隙，其电子通过短程交换相互作用获得净磁矩。磁TI可以承载各种奇异的量子现象，如大质量狄拉克费米子，马约拉纳费米子，量子反常霍尔效应和沿畴界的手征边缘电流。然而，在掩埋界面处的感生磁性的选择性测量仍然是一个挑战。使用磁二次谐波产生，我们直接探测在铁磁绝缘体（FMI）EuS和三维TI Bi 2Se 3之间的界面处诱导的面内和面外磁化。我们的研究结果不仅可以表征在TI-FMI接口的磁性，但也奠定了基础，成像磁畴和域边界的磁性TI表面。
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。
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。
Magnetism and Topology from Circularly Polarized Phonon Floquet Engineering
RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS)（RIKEN 涌现物质科学中心）；Institute of Theoretical Physics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院理论物理研究所）；The Institute for Solid State Physics, The University of Tokyo（东京大学固体物理研究所）；Department of Physics, Institute of Science Tokyo（东京科学大学物理系）
Magnetic Weyl semimetals: Interplay of band topology and magnetism
Institut für Theoretische Physik, Universität Leipzig（莱比锡大学理论物理研究所）；Institute for Solid State Physics, The University of Tokyo（东京大学固体离子体研究所）；Advanced Science Research Center, Japan Atomic Energy Agency（日本原子能研究开发机构先进科学研究中心）；Physics Division, Sophia University（上智大学物理学部）；Department of Physics, Kyushu University（九州大学理学部物理学科）；Quantum and Spacetime Research Institute, Kyushu University（九州大学量子时空研究院）
Electrically Programmable Correlated Topology and Magnetism in a Moiré Trilayer
University of Washington（华盛顿大学）；National Institute for Materials Science（国立材料研究所）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；Oak Ridge National Laboratory（橡树岭国家实验室）
Möbius Insulator and Higher-Order Topology in MnBi$_{2n}$Te$_{3n+1}$
我们提出MnBi $_{2n}$ Te $_{3n+1}$作为一个磁可调平台，实现各种安全保护的高阶拓扑结构。其倾斜的反铁磁相可以容纳具有莫比乌斯扭曲的奇异拓扑表面状态，这些状态受到非对称对称性的保护。此外，承载莫比乌斯费米子的相对表面通过一维手征铰链模式连接，这提供了高阶拓扑莫比乌斯绝缘体的第一个材料候选者。我们揭示了一个一般的机制，可行地诱导这种奇异的物理通过施加一个小的面内磁场的反铁磁拓扑绝缘相的MnBi $_{2n}$ Te $_{3n+1}$，以及其他建议的轴子绝缘体。对于其他的磁性配置，两类反转保护的高阶拓扑相是普遍存在的，在这个系统中，这都表现出带隙表面和无隙手征铰链模式。我们系统地讨论了它们的分类，微观机制和实验签名。值得注意的是，不同的手性铰链模式配置之间的磁场诱导的过渡提供了一个有效的“拓扑磁开关”。
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.
Transition between one- and two-dimensional topology in a Chern insulator of finite width
Aarhus University（奥胡斯大学）；Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids（马克斯·普朗克固体化学物理研究所）；Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems（马克斯·普朗克复杂系统物理研究所）
