该研究合成 Ca 掺杂 EuIn$_2$As$_2$ 单晶，证明等价 Ca 取代可缩小晶格、降低空穴密度并调控费米面，同时保留反铁磁结构与拓扑霍尔效应，为实现轴子绝缘态提供路径。
摘要：
稀土 Zintl 化合物 EuIn$_2$As$_2$ 在理论上已被认为是实现本征反铁磁（AFM）体相轴子绝缘体和高阶拓扑态的候选材料，为探索新颖拓扑输运现象提供了丰富平台。然而，由于 EuIn$_2$As$_2$ 受到高空穴掺杂，轴子态尚未实现。在此，我们合成了一系列高质量的 Ca 掺杂 EuIn2As2（Ca$_x$Eu$_{1-x}$In$_2$As$_2$，x = 0～0.25）单晶，以将费米能调控至空穴口袋之上。我们的霍尔测量表明，等价 Ca 取代通过缩小晶格间距降低了空穴载流子密度，这也得到了第一性原理计算的证实。我们进一步发现，尽管非磁性 Ca 取代降低了有效磁矩和 Néel 温度，但正如在原始 EuIn$_2$As$_2$ 中观察到的那样，Ca 掺杂样品中仍持续存在在 Néel 温度处具有局部极大值的磁化率温度依赖关系，以及源于有限实空间自旋手性的拓扑霍尔效应。这些结果表明，Ca 取代可在保持 AFM 磁结构的同时调控费米能，说明通过进一步 Ca 取代或可实现轴子绝缘态。
英文摘要：
Rare-earth Zintl compound EuIn$_2$As$_2$ has been theoretically recognized as a candidate for realizing an intrinsic antiferromagnetic (AFM) bulk axion insulator and a higher-order topological state, which provides a fertile platform to explore novel topological transport phenomena. However, the axion state has yet to be realized because EuIn$_2$As$_2$ is highly hole-doped. Here, we synthesized a series of high-quality Ca-doped EuIn2As2 (Ca$_x$Eu$_{1-x}$In$_2$As$_2$, x = 0 ~ 0.25) single crystals to tune the Fermi energy above the hole pocket. Our Hall measurements reveal that the isovalent Ca substitution decreases the hole carrier density by shrinking the lattice spacing, which is also confirmed by our first-principles calculations. We further find that both the temperature dependence of the magnetic susceptibility with a local maximum at the Néel temperature and the topological Hall effect originating from the finite real-space spin chirality persist in the Ca-doped samples as observed in the pristine EuIn$_2$As$_2$, despite that the nonmagnetic Ca substitution decreases the effective moment and the Néel temperature. These results show that the Ca substitution tunes the Fermi energy while keeping the AFM magnetic structure, suggesting that the axion insulating state may be realized by further Ca substitution.
In-plane antiferromagnetic moments in axion topological insulator candidate EuIn$_2$As$_2$
具有反铁磁序的拓扑绝缘体可以作为实现轴子电动力学的理想平台。本文报道了轴子拓扑绝缘体候选体EuIn $_2$ As $_2$的系统研究。费米能级上的线性能量色散证实了所提出的空穴型费米口袋的存在。自旋翻转转变发生在$ab$ -平面内施加磁场，而不存在平行于$c$ -轴的场。观察到各向异性的磁相图和地面磁矩的取向被发现是在$ab$平面内。EuIn $_2$ As $_2$的磁电阻率表现为非单调的磁场强度的函数。由于磁场驱动和温度驱动的磁态，它表现出与角度相关的演化。这些结果表明，EuIn $_2$ As $_2$的磁态对输运性质和拓扑性质有很大的影响.
EuIn2Sb2: epitaxially stabilized axion insulator candidate with strong spin-orbit coupling
Institute of Science Tokyo（东京科学大学）；RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS)（理化学研究所 新兴物质科学中心）；Toyota Physical and Chemical Research Institute（丰田物理化学研究所）
Field-induced Topological Hall effect in antiferromagnetic axion insulator candidate EuIn$_2$As$_2$
磁性拓扑材料因其潜在的实现各种新量子现象的能力而引起人们的极大关注。EuIn $_2$ As $_2$最近在理论上被认为是期待已久的本征反铁磁体轴子绝缘体。然而，在这种材料中的拓扑状态引起的输运性质的实验研究是稀缺的。在本文中，我们进行了详细的磁阻（MR）和霍尔测量来研究这种材料的磁输运性质。我们发现，运输强烈影响的自旋配置的Eu时刻从伴随的变化的场依赖性的MR和低于Néel温度的磁化强度。最重要的是，观察到异常霍尔效应（AHE）和大的拓扑霍尔效应（THE）。我们认为AHE起源于螺旋自旋结构引起的非零净Berry曲率，而THE归因于外磁场诱导EuIn $_2$ As $_2$形成的具有有限标量自旋手征的非共面自旋织构.我们的研究提供了一个平台，以了解电子能带的拓扑结构和场致磁结构之间的相互作用对磁电输运性质的影响。此外，我们的观测结果还为通过调控EuIn $_2$ As $_2$的磁态实现轴子绝缘体态和高阶拓扑绝缘体态提供了线索.
Infrared study of the interplay of charge, spin, and lattice excitations in the magnetic topological insulator EuIn$_2$As$_{2}$
我们报告的红外光谱研究的轴子拓扑绝缘体候选人EuIn $_2$作为$_2$的Eu矩表现出A型反铁磁（AFM）低于$T_N \simeq 18 \mathrm{K}$秩序。低能响应由原点处的弱Drude峰、185 cm $^{-1}$处的显著红外激活声子模和600 cm $^{-1}$附近的自由载流子等离子体边缘组成。带间跃迁开始于800 cm $^{-1}$以上，在5\,000和12\,000 cm $^{-1}$处产生一系列弱吸收带，在20\,000、27\,500和32\,000 cm $^{-1}$处产生强吸收带.原子力显微镜的转变引起了明显的异常的电荷响应，在$T_N$周围的自由载流子散射率的尖点样的最大值和大的磁分裂的带间跃迁在5\,000和12\,000 cm $^{-1}$。在185 cm $^{-1}$处的声子模在$T_N$附近也具有反常的温度依赖性，这表明它与Eu自旋的涨落耦合。结合的数据提供的证据之间的电荷，自旋和晶格自由度的强相互作用。
Magnetically tunable Dirac and Weyl fermions in the Zintl materials family
最近的分类工作，包括晶体对称性揭示了丰富的可能性，固态系统，以支持挂毯的异国情调的拓扑状态。然而，找到实现这种状态的材料仍然是一个艰巨的挑战。在这里，我们展示了如何相互作用的拓扑结构，对称性，磁性结合掺杂和外部电场和磁场控制可以用来驱动以前未报道的SrIn $_2$作为$_2$材料家族到各种拓扑阶段。我们的第一性原理计算和对称性分析表明SrIn $_2$ As $_2$是具有$Z_2=(1;000)$和镜像陈数$C_M= -1$的对偶拓扑绝缘体。它的同构和等价反铁磁表亲EuIn $_2$ As $_2$被发现是与$Z_4= 2$的轴子绝缘体。在Sr $_{1-x}$ Eu $_x$ In $_2$ As $_2$中通过Eu掺杂破坏的时间反转对称性取决于磁易轴的取向导致更高阶或拓扑晶体绝缘体状态。我们还发现反铁磁EuIn $_2$ P $_2$是一个平凡的绝缘体，具有$Z_4= 0$，并且在外加磁场的驱动下，它经历了一个理想的Weyl费米子态或节费米子态与$Z_4= 1$。我们的研究确定了Sr $_{1-x}$ Eu $_x$ In $_2$（As，P）$_2$作为一种新的可调材料平台，用于研究外尔和节点费米子在晶体和轴子绝缘体状态的支架中的物理和应用。
Koopmans' theorem as the mechanism of nearly gapless surface states in self-doped magnetic topological insulators
磁拓扑绝缘体（MTIs）表面态的磁化诱导能隙与量子反常霍尔效应和轴子绝缘体相等各种拓扑现象密切相关，被广泛认为是MTIs的核心。然而，磁隙是否存在于本征MTI中，例如MnBi $_{2}$ Te $_{4}$，仍然是难以捉摸的，理论预测和各种实验观察之间存在显著差异。在这里，包括以前被忽视的自掺杂在真正的MTI，我们发现，在一般情况下，掺杂MTI更喜欢基态与无间隙的表面状态。我们使用一个基于Koopmans定理的简单模型来阐明这一机制，并通过第一性原理计算在自掺杂MnBi $_{2}$ Te $_{4}$ /（Bi $_{2}$ Te $_{3}$）$_{n}$族中进一步证明了这一机制.我们的工作揭示了掺杂效应在理解磁性和拓扑结构之间微妙的相互作用方面的关键作用，从而揭示了具有磁隙的MTIs的设计原理。
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。
本征反铁磁拓扑绝缘体MnBi $_2$ Te $_4$（MBT）最近引起了极大的关注。对这种层状范德华键合化合物的兴奋源于它拥有许多奇异拓扑量子态的潜力。例如，量子反常霍尔态的奇数层化合物和轴子绝缘体状态的偶数层化合物的预测。不幸的是，这些现象的实现受到实验挑战的阻碍，例如负电荷载流子的存在，即，电子掺杂，这与锰和铋子晶格中的反位缺陷有关。基于高层次的扩散蒙特卡罗（DMC）和DMC调整的DFT+U计算，我们提供了基准质量的结果为体锰磁化以及锰$_{Bi}$和Bi $_{Mn}$缺陷。我们使用这些信息来完善和扩展模型，估计反位缺陷浓度在实际的MBT样品结合磁化率和中间场磁化测量的数据时。我们的模型进行了验证，通过有利的比较与以前的实验研究，获得了磁性和占位数据。然后，我们将我们的估计扩展到一个更大的先验样本集，以确定一个可能的低缺陷密度区域，该区域在合成中尚未达到。我们预计我们的理论为基础的磁性纯度的措施，可用作优化周期中的最小化目标，需要合成MBT样品具有低反位缺陷浓度和更可重复的拓扑性质。
Discovery (theoretical prediction and experimental observation) of a large-gap topological-insulator class with spin-polarized single-Dirac-cone on the surface
最近的理论和实验表明，某些带绝缘体中的强自旋-轨道耦合效应可以产生量子物质的新相，即所谓的拓扑绝缘体，它可以表现出宏观纠缠效应。这样的系统具有二维表面状态，其电动力学性质不是由传统的麦克斯韦方程组描述的，而是由一个附加的轴子场描述的，最初提出来描述强相互作用的粒子。有人提出，具有单个自旋织构狄拉克锥的拓扑绝缘体与超导体的界面可以形成执行容错量子计算的最基本单元。在这里，我们提出了一个角度分辨光电子能谱研究和第一原理理论计算预测，揭示了第一次观察到这样的拓扑状态的物质具有一个单一的表面Dirac-cone实现自然发生的Bi $_2$ Se $_3$类材料。我们的研究结果，我们的理论预测和计算的支持，表明这类材料的未掺杂化合物可以作为长期寻求的拓扑器件，其中面内表面载流子输运将有一个纯粹的量子拓扑起源的母矩阵化合物。我们的研究进一步表明，未掺杂的化合物通过n到p掺杂达到即使在室温下也应该显示拓扑输运现象。
