Layer-dependent antiferromagnetic Chern and axion insulating states in UOTe
Howard University（霍华德大学）；S. N. Bose National Centre for Basic Sciences（S.N. Bose基础科学国家中心）；Harvard University（哈佛大学）；Washington University in St. Louis（圣路易斯华盛顿大学）；The University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校）；University of Michigan（密歇根大学）；Northeastern University（东北大学）
Sougata Mardanya, Barun Ghosh, Mengke Liu, Christopher Broyles, Junyeong Ahn, Kai Sun, Jennifer E. Hoffman, Sheng Ran, Arun Bansil, Su-Yang Xu, Sugata Chowdhury
Magnetic topological insulators have received significant interest due to their dissipationless edge states, which promise advances in energy-efficient electronic transport. However, the magnetic topological insulator state has typically been found in ferromagnets (FMs) that suffer from low magnetic ordering temperatures and stray fields. Identifying an antiferromagnetic topological insulator that exhibits the quantum anomalous Hall effect (QAHE) with a relatively high Néel temperature has been a longstanding challenge. Here, we focus on the recently discovered van der Waals (vdW) antiferromagnet (AFM) UOTe, which not only features a high Néel temperature (\(\sim\)150K) but also exhibits intriguing Kondo interaction and topological characteristics. Our systematic analysis of the layer-dependent topological phases based on \textit{ab} initio computations predicts the two-layer UOTe film to be an ideal 2D AFM Chern insulator in which the Hall conductivity is quantized with a fully compensated spin magnetization. By applying an in-plane strain or electric field, we show how the itinerancy of U-5f electrons can be manipulated to trigger a transition between the nontrivial ($C = 1$) and trivial ($C = 0$) phases. Interestingly, the 3-layer UOTe film is found to have zero charge conductance but it hosts a quantized spin Hall conductivity (SHC) with finite magneto-electric coupling, suggesting the presence of an axion insulator-like state. The unique magnetic structure of UOTe supports a layer-tunable topology in which films with an odd number of layers are axion-like insulators, while films with an even number of layers are Chern insulators, and the bulk material is a Dirac semimetal. Our study offers a new intrinsic AFM materials platform for realizing correlated topological phases for next-generation spintronics applications and fundamental science studies.
Large dynamical axion field in topological antiferromagnetic insulator Mn$_2$Bi$_2$Te$_5$
动力学轴子场是一种新的量子物质状态，其磁电响应与低能磁涨落强烈耦合。它与具有静态量子化磁电响应的轴子绝缘体有着根本的不同。动力学轴子场表现出许多奇异现象，如轴子极化激元和轴子不稳定性。然而，由于缺乏合适的拓扑磁性材料，这些效应尚未得到实验证实。在这里，通过结合分析模型和第一性原理计算，我们预测了一系列的范德华层状Mn $_2$ Bi $_2$ Te $_5$相关的拓扑反铁磁材料可以托管长期寻求的动力学轴子场的拓扑起源。我们还证明了在接近拓扑相变的反铁磁绝缘态中可以获得大的动力学轴子场。我们进一步提出了光学和输运实验来检测这样的动力学轴子场。我们的结果可以直接帮助和促进在现实材料中寻找拓扑起源的大动力学轴子场。
Spectral signatures of the surface anomalous Hall effect in magnetic axion insulators
磁性拓扑系统（如Weyl半金属和轴子绝缘体）的拓扑表面态与非零或半量子化的表面反常霍尔效应等非常规输运性质有关。本文利用模型哈密顿量和第一性原理计算研究了不同磁拓扑相位下的表面反常霍尔效应及其光谱特征。我们证明，通过定制的磁化和层间电子跳跃，可以建立一个丰富的三维拓扑相图，包括三种类型的拓扑不同的绝缘相桥接的Weyl半金属，并可以直接映射到现实的材料，如MnBi 2 Te 4/（Bi 2 Te 3）n系统。其中，我们发现，在轴子绝缘体相的表面异常霍尔电导率是一个很好的本地化量饱和或振荡在e2/2 h左右，这取决于磁均匀性。我们还讨论了由此产生的手征铰链模式嵌入内的侧表面带的传输测量的潜在的实验签名。我们的研究是朝着在现实材料系统中直接实现长期寻求的轴子绝缘体迈出的重要一步。
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。
Facet dependent surface energy gap on magnetic topological insulators
磁性拓扑绝缘体（MnBi $_2$ Te $_4$）（Bi $_2$ Te $_3$）$_n$（$n=0,1,2,3$）有望实现奇异拓扑状态，例如量子反常霍尔效应（QAHE）和轴子绝缘体（AI），其中Bi $_2$ Te $_3$层引入了工程电子和磁性的多功能性。然而，是否在Bi $_2$ Te $_3$终止面的表面状态是gapless或gaped是有争议的，其在薄膜性能的后果很少讨论。在这项工作中，我们发现，Bi $_2$ Te $_3$终止面是无间隙的$n \ge 1$化合物的计算。尽管表面Bi $_2$ Te $_3$（一层或多层）和下面的MnBi $_2$ Te $_4$层杂化并产生带隙，但这种杂化带隙与体价带重叠，最终导致无带隙表面。这种金属表面对实现QAHE或Al提出了根本性的挑战，这需要在具有至少一个Bi $_2$ Te $_3$表面的薄膜中具有绝缘间隙。理论上，如果两个表面都是MnBi $_2$ Te $_4$层，则仍然可以在膜中实现绝缘相。否则，需要膜厚度小于10 $\sim$ 20 nm以通过尺寸效应推低体价带。我们的工作为理解磁性拓扑材料的表面态和设计体绝缘量子器件铺平了道路。
Intrinsic magnetic topological insulator phases in the Sb doped MnBi2Te4 bulks and thin flakes
磁性拓扑绝缘体（MTIs）提供了拓扑非平凡特性和磁序的组合，并在潜在的有趣的物理现象方面显示出希望，例如量子反常霍尔（QAH）效应和拓扑轴子绝缘态。然而，由于缺乏合适的MTIs候选物，对其性质和潜在应用的理解受到限制。在这里，我们生长的二维单晶Mn（SbxBi（1-x））2 Te 4散装和剥离成薄片，以寻找内在的MTIs。我们进行角分辨光电子能谱，低温输运测量，和第一性原理计算调查的能带结构，输运性质和磁性的这一系列材料，以及它们的拓扑性质的演变。我们发现在Mn（SbxBi（1-x））2 Te 4相图中存在一个优化的MTI区，该区域可能存在高温QAH相，为新的器件应用提供了一个有前途的途径。
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。
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”。
Fermi level dependence of magnetism and magnetotransport in the magnetic topological insulators Bi$_{2}$Te$_{3}$ and BiSbTe$_{3}$ containing self-organized MnBi$_{2}$Te$_{4}$ septuple layers
Realizing gapped surface states in magnetic topological insulator MnBi$_{2-x}$Sb$_{x}$Te$_{4}$
磁性拓扑绝缘体（MTI）中的磁性与非平凡拓扑之间的相互作用有望产生各种奇异的拓扑量子现象，如量子反常霍尔（QAH）效应和拓扑轴子态。评估这些新特性的一个关键是调整狄拉克表面带的交换能隙中的费米能级。MnBi $_2$ Te $_4$具有能够实现所有这些量子态的具有本征反铁磁（AFM）态的非平凡能带拓扑，然而，MnBi $_2$ Te $_4$晶体的高度电子掺杂性质阻碍了带隙拓扑表面态的展现。在这里，我们通过Sb取代来定制材料，以揭示MnBi $_{2-x}$ Sb $_{x}$ Te $_{4}$（MBST）中的带隙表面态。通过将费米能级移动到MBST的体带隙中，我们访问表面态，并通过扫描隧道显微镜/光谱（STM/STS）测量的准粒子干涉（QPI）在狄拉克点处显示50 meV的带隙。通过多探针STM测量的输运光谱，在Néel温度以下证实了表面主导传导。表面带隙对面外磁场具有鲁棒性，尽管场致铁磁性的促进。具有大交换带隙的体绝缘MTI的实现为探索涌现拓扑现象提供了一个很有前途的平台。
